Методы наблюдений за течениями.

Исследования гидродинамических процессов в Мировом океане основываются на прямых и косвенных методах измерения скорости потоков. Выбор того или иного метода измерения параметров течений и характеристик измерительной аппаратуры в первую очередь определяется целью исследований для необходимого диапазона масштабов и способа описания движения. В зависимости от этого используются измерения в фиксированной точке или разнесенные по пространству, выбирается количественный и качественный состав аппаратуры.

В настоящее время существует много способов измерений параметров течений, основанных на различных физических принципах. В соответствии с этими принципами можно выделить несколько основных методов измерений характеристик течений на различных глубинах, в поверхностном и придонном слоях: 1) навигационный; 2) поплавочный; 3) гидродинамический (вертушечный); 4) электромагнитный; 5) термодинамический; 6) акустические; 7) оптические; 8) вихревой; 9) метод меток; 10) электрохимический; 11) неконтактные.

Навигационный метод долгое время был одним из самых распространенных методов наблюдений за течениями. Основные сведения о поверхностных течениях Мирового океана получены путем обработки массовых навигационных определений, заключающихся в сопоставлении счислимых и обсервованных мест судов. Счислимое место судна находится путем прокладки на карте истинного курса судна и пройденного расстояния по лагу. Обсервованное место определяется по данным наблюдений за небесными светилами с помощью секстанта или радиометрических методов: радиопеленгования, радиолокации, спутниковой навигационной системы. Направление сноса определяется направлением вектора, соединяющего счислимое место с обсервованным, а скорость — путем деления расстояния между ними на промежуток времени между обсервациями t

где

-вектор сноса течением за промежуток времени t.

Средняя квадратическая ошибка вычисленных характеристик течений складывается из соответствующих ошибок положения счислимых и обсервованных точек

где

- средние квадратические ошибки счисления и обсерваций в точках отшествия и пришествия соответственно.

При статистической обработке большого числа наблюдений (иногда достигающего нескольких тысяч) удается исключить неизбежные ошибки, связанные с несовершенством применявшихся в прошлом навигационных приборов и с неточностью метода.

Поплавочный метод измерения течений основан на определении положения в пространстве и во времени поплавков, движущихся с поверхностными водами в потоке. Для измерения характеристик течений используются различного типа поплавки, которые могут запускаться как на водную поверхность, так и на требуемую глубину (поплавки нейтральной плавучести). Скорость течений принимается равной скорости движения поплавка, определяемой по времени прохождения им определенного расстояния. Она является осредненной для участка потока по траектории движения поплавка. Это допущение значительно упрощает определение скорости, хотя, как известно, тело, плывущее по течению, движется быстрее окружающих его частиц воды. Это объясняется наличием неуравновешенной проекции веса тела на ось движения. Рассмотрим силы, действующие на тело, плывущее в состоянии безразличного равновесия. Расположим центр тяжести тела в начале прямоугольной системы координат, а ось абсцисс направим по точению параллельно поверхности воды. Подъемная сила действует по нормали к водной поверхности, а ее проекция на ось движения равна нулю. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Вес тела:

где

- удельный вес; V - объем тела. Проекция веса тела на ось движения:

где

- угол наклона водной поверхности к горизонту. Сила

и вызывает ускорение плывущего тела, которое уменьшается за счет сопротивления воды. Поэтому тело, находящееся в потоке, приобретает скорость от нуля до значения, несколько превышающего скорость течения воды, т.е. пока сила сопротивления воды R не уравновесит движущую силу. Кроме того, на поплавок, находящийся на поверхности воды, воздействуют ветер и волнение. Поэтому габариты, плавучесть и загрузка буев должны быть такими, чтобы их подводная парусность во много раз превосходила парусность надводной части для сведения к минимуму влияния ветра на движение буя.

Общей особенностью поплавочного метода является получение данных в такой системе координат, когда за независимые переменные берутся начальные координаты x₀ и прошедшее с начального момента время

. Текущие координаты определяются следующим образом:

Скорость течения определяется как производная по времени от координаты:

Исследование течений с помощью поплавков осуществляется двумя способами: непосредственным наблюдением за перемещением поплавков и массовым разбрасыванием маркированных поплавков, подбираемых впоследствии на побережье или другими судами (бутылочная почта).

При первом способе используются поверхностные поплавки, поплавки нейтральной плавучести, поплавки с подводными парусами, случайно плавающие предметы и т.п. Эти средства обладают свойствами (или снабжаются специальными устройствами) активного и пассивного действия, позволяющими определять их местоположение в любой момент времени с помощью судовых навигационных систем сопровождающего судна или системы спутникового слежения за дрейфом буев.

Поплавки нейтральной плавучести обладают нулевой плавучестью в слое воды с определенной плотностью, что позволяет им дрейфовать в этом слое в течение длительного времени. Местоположение их определяется либо с судна, либо автономными акустическими станциями, либо специальной акустической системой, позволяющей определять координаты поплавков на больших расстояниях. Последние получили название поплавков СОФАР по названию береговой системы станций для дальнего наблюдения за источниками акустических сигналов.

Гидродинамический метод основан на измерении давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело. Между скоростью течения и давлением, оказываемым потоком на тело, существует зависимость:

где P- давление потока на тело; C_m - коэффициент, зависящий от формы тела и числа Рейнольдса; ρ - плотность воды; S_T - площадь проекции на плоскость, нормальную направлению потока.

т.е., измерив давление потока на тело, можно определить и скорость течения. Но этот метод в своем прямом приложении не нашел широкого применения, так как обладает существенно нелинейной характеристикой преобразования в диапазоне скоростей течения 0,02—2 м/с.

Наибольшее распространение среди датчиков гидродинамического типа нашли так называемые вертушечные. Здесь в качестве чувствительного элемента используются: ротор Савониуса, лопастной винт (пропеллер), крылатки, крест Робинсона, винт Архимеда, причем чаще всего первые два типа. Принцип их действия основан на создании набегающим потоком воды на чувствительном элементе гидродинамического момента, приводящего к его вращению. Скорость вращения датчика пропорциональна скорости потока, и наблюдается практически линейная зависимость между скоростью потока и числом оборотов датчика n, т.е. U=f(n).

Опыт практического использования различных типов датчиков скоростей течения с учетом возможных колебаний из-за турбулентных и волновых воздействий показал, что наилучшими свойствами для измерения характеристик течений обладают реверсивные датчики. Этот тип датчиков автоматически исключает компоненты скорости с периодами меньше, чем время экспозиции (время осреднения характеристик течения прибором). Нереверсивные датчики независимо от скорости и в некоторых случаях от направления потока вращаются только в одну сторону. Наиболее распространенными и наиболее простыми по конструкции реверсивными датчиками скорости являются различные виды пропеллеров. Из всех типов датчиков пропеллер и винт Архимеда обладают наименьшей инерционностью 0,5—10 с, начальная скорость их от 0,005 до 0,01 м/с и им необходимо ориентирование по потоку.

Ротор Савониуса и крест Робинсона обладают диаграммой: направленности, близкой к круговой, т.е. им не нужно ориентирование по потоку. Они обладают такой же начальной скоростью, что и пропеллеры, но до скорости 0,03 м/с имеют нелинейный начальный участок характеристики числа оборотов в зависимости от скорости потока. Ротор Савониуса, широко используемый в измерительных системах, подвержен биологическим обрастаниям и обладает заметным гистерезисом. При резком снижении скорости потока скорость вращения ротора уменьшается с большим запаздыванием, а при увеличении скорости показания ротора близки к изменению скорости потока.

Диапазон измерений скоростей течений датчиками вертушечного типа лежит в пределах 0,005—3 м/с. Погрешность измерений механическими вертушками определяется в основном качеством исполнения и в лучших образцах не превышает 5 %.

Для анализа уравнения движения лопастного винта, основанного на зависимости U=f(n), можно использовать известный закон механики: для вращающейся системы произведение момента механической инерции системы относительно оси вращения на угловое ускорение равно сумме моментов сил действующих на систему. Для вертушки уравнение движения лопастного винта в общем виде представляется как:

где

- угловая скорость;

- сумма моментов сил, приложенных к лопастному винту:

где

- движущий момент;

- момент сил сопротивления;

- момент сил гидродинамического сопротивления;

- момент сил трения в опорах;

- момент реакции регистрирующей системы. Отсюда ясно, что точность измерений скорости течений зависит от плотности среды, условий обтекания, структуры и флуктуации течения, т.е. зависимость нелинейна и количественно может быть оценена только при рассмотрении малых отклонений от установившегося состояния.

Рассмотрим зависимость U=f(n) без учета силы трения в механизме прибора и гидродинамических сопротивлений при его обтекании. Найдем связь между n и U для пропеллеров, как наиболее распространенного типа, с горизонтальной и вертикальной осями вращения. За время dt частица жидкости, движущаяся параллельно горизонтальной оси вращения, переместится на расстояние dl=Udt. Эта же частица жидкости за то же время dt, встретив на своем пути лопасть пропеллера, переместится по окружности на расстояние dl_k=2πrncosα, где r - расстояние от центра лопасти до оси вращения; α - угол наклона лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вращения. В первом приближении dl=dl_k, поэтому:

где K_Г -геометрический шаг лопастного винта. Геометрический шаг в основном определяет чувствительность преобразования:

где K_Г - так называемое скольжение, изменяющееся для различных конструкций винтов от 0,2 до 0,6.

Работа чашечного ротора обусловлена различием в коэффициентах сопротивления его чашек. Гидродинамическое давление, оказываемое потоком на чашки, обращенные своей внешней поверхностью к потоку:

а на чашки, обращенные внутренней поверхностью к потоку:

где K₁ и K₂ - коэффициенты сопротивления чашек, причем K₁<K₂; S - площадь проекции чашки; U_ч - линейная скорость движения центра чашки. При установившемся вращении лопастного винта P₁=P₂, следовательно:

Экспериментальные исследования чашек различных форм и размеров (по данным Л.Г.Качурина) показали, что гидродинамические коэффициенты сопротивления существенно зависят от форм и размеров чашек, но в любом случае их отношение остается примерно постоянным, близким к значению K₁/K₂=4, а коэффициент лопастного винта σ=U/U_ч=U/(rω) (где ω - угловая скорость при установившемся движении чашек без трения) примерно равен 3. Это соотношение используется при приближенном расчете параметров ротора как чашечного типа, так и винтового. Экспериментом также доказано, что в турбулентном потоке реальная вертушка в среднем завышает скорость, притом тем больше, чем сильнее пульсация течения.

Анализ графика зависимости U=f(n) позволяет сделать следующие выводы. Под влиянием гидродинамических и механических сопротивлений функция U=f(n) принимает вид кривой. Наиболее заметно отклонение при малых скоростях. Полуэмпирическое уравнение в форме гиперболы, охватывающее весь диапазон работы вертушек, имеет вид:

где a,b,c - параметры, определяющие работу вертушки и гидрофизические условия.

При n=0 U= =U₀ - отрезок на оси U, определяющий точку, в которой начинается кривая. В случае, когда U₀»U, можно записать:

где учитывается не только геометрия лопастного винта, но и сопротивление его движению.

Основными рабочими характеристиками вертушек, являются:

- начальная скорость U₀ - наименьшая скорость набегающего на вертушку потока, при которой начинает неравномерно вращаться ее лопастной винт;

- нижний предел применимости вертушек- скорость U_н.п. выше которой и рекомендуется использовать вертушки. При скоростях от U₀ до U_н.п. показания вертушек неустойчивы, поэтому погрешности измерений в этом пределе могут быть значительными (≥10%);

- критическая скорость U_к - скорость потока, выше которой влияние механических сопротивлений на число оборотов лопастного винта становится стабильным и незначительным, т.е. при U ≥ U_к dU/dn=const. В докритической области на показания вертушек существенно влияют износ подшипников, попадание твердых частиц в механизм прибора и т.п.;

- верхний предел использования вертушек- скорость U_в.п, выше которой не всегда можно рекомендовать применение вертушек. При исследовании функции U=f(n) в воздушном потоке оказалось, что при больших скоростях потока нарушается зависимость (1);

- инерционность вертушек- способность их лопастного винта изменять свою скорость вращения соответственно изменению скорости потока.

При измерении датчиками вертушечного типа сложной картины течений, возникающей из-за воздействия ветровых и внутренних волн, вихревых течений и турбулентности на стационарный поток, возникает значительная погрешность. Кроме того, методика измерений течений на АБС или с борта судна не позволяет фиксировать прибор в определенной точке пространства. Перемещения прибора на тросе с несущим буем и с судном датчик регистрирует как изменение скорости. Это приводит к появлению погрешностей, особенно проявляющихся при нахождении прибора в слое воды, в котором сказывается влияние ветрового волнения.

При измерении характеристик течения реверсивными датчиками (пропеллер, винт Архимеда) требуется их ориентирование по потоку, т.е. их ось вращения должна совпадать с генеральным направлением течения. Для достижения этой цели используется развитое хвостовое оперение, устанавливаемое на самом корпусе прибора, на котором неподвижно закреплен чувствительный элемент. Такая система используется в измерителях течения типа ВММ, БПВ, ДИСК, «Поток» и т.д. В последнее время для решения этой задачи стали использовать двухкомпонентную систему преобразователей скорости течения. В таких приборах используют два пропеллера, оси вращения которых располагаются перпендикулярно друг другу. В результате один из них измеряет составляющую U₁, а другой- ортогональную составляющую U₂ скорости течения. Отсюда истинная скорость:

Подобные двухкомпонентные системы используются в измерителях АЦИТ, VMCM и других.

В океанологической практике нашли широкое применение микровертушки с индуктивным или резистивным преобразователями выходного сигнала. Они обычно используются для измерения мгновенных скоростей потока и диапазоне 0,04-10м/с с погрешностью 2-5% и постоянной времени 0,01-0,2с. Вертушка с индуктивным преобразователем, характеризующимся сравнительно высокими стабильностью и чувствительностью, измеряет скорость в диапазоне 0,1-2м/с с погрешностью 3%. Диаметр лопастного винта у такой вертушки 10мм. Специальный цифровой преобразователь воспринимает импульсы, амплитуда которых пропорциональна скорости вращения ротора. Измеритель пульсации скорости потока с микровертушечным датчиком регистрирует среднюю скорость и ее медленные пульсации. Диапазон частот, охватываемый измерителем, находится в пределах 9-12,5Гц при скорости потока 1м/с и определяется постоянной времени самого датчика. Подобные измерители пульсаций скорости имеют линейную градуированную характеристику и отличаются конструктивной и структурной простотой, а также надежностью.

Электромагнитный метод основан на том, что в потоке морской воды, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения частиц воды относительно магнитного поля. Наведенную ЭДС(E), согласно закону Фарадея, можно выразить как:

где B - магнитная индукция; L - расстояние между электродами (база измерения); U - скорость движения воды; α - угол между направлением потока и магнитным полем.

В качестве магнитного поля используются как вертикальная составляющая магнитного поля Земли, так и искусственно созданное постоянное или переменное магнитное поле. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн соизмерима со скоростью света, электромагнитные измерители скорости течения являются практически безынерционными, и их частотные свойства в верхнем диапазоне частот определяются в основном пространственной разрешающей способностью датчиков, т.е. в принципе с их помощью можно измерять средние и пульсационные значения скорости. При этом значение ЭДС определяется путем измерения разности потенциалов между двумя электродами, расположенными в магнитном поле по линии, перпендикулярной векторам магнитной индукдии и скорости потока.

При измерении течений в поверхностном слое воды можно использовать естественное магнитное поле Земли. В этом случае проводником, в котором индуцируется ЭДС, будет являться морская вода и одновременно участок кабеля между двумя неполяризующимися электродами, который буксируется за судном. Эту ЭДС можно представить как:

где H_z - вертикальная составляющая магнитного поля Земли.

Истинные значения скорости и направления течения определяются по проекциям с судна на двух взаимно перпендикулярных галсах. Но этот метод, несмотря на свою простоту, не получил широкого распространения из-за трудности интерпретации результатов измерений. В подобных измерителях скорость течения и выходной сигнал связаны сложной зависимостью, в которой задействованы глубина, вертикальный профиль скорости, электропроводимость грунта дна (при небольших глубинах), положения буксируемых электродов. На результаты измерений также оказывают влияние и магнитные возмущения. Все эти факторы трудно поддаются учету. Точность таких измерителей обычно не превышает 20-30%.

Многие трудности можно преодолеть, если измерение скорости течения проводить в искусственном магнитном поле, индуцируемом катушками подмагничивания или создаваемом постоянным магнитом. Принципиальная схема подобных измерителей была предложена еще самим Фарадеем.

Использование постоянного магнитного поля осложнено поляризацией электродов, особенно при измерении низкочастотных составляющих потока. Применение переменного магнитного ноля позволяет избежать поляризации, а также использовать емкостные электроды, не имеющие непосредственного контакта с водой. Пороговая чувствительность подобных измерителей составляет 10^-3-3·10^-3м/с, а частотный диапазон охватывает несколько килогерц. Их динамический диапазон в основном зависит от гидравлической характеристики датчика, определяемой его формой.

Измерители с искусственным магнитным полем могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными. Первые должны быть ориентированы по потоку. Вторые состоят из обтекаемого корпуса (шар, диск, цилиндр) из изоляционного материала, катушки возбуждения магнитного поля и двух пар электродов, расположенных с противоположных сторон. В случае, когда поток совпадает с линией, проходящей через два расположенных противоположно электрода, наведенная на них ЭДС равна нулю, а на двух других имеет наибольшее значение. Если поток направлен под углом к осям координат, проходящим через электроды, то ЭДС, измеряемая обеими парами электродов, будет пропорциональна проекциям модуля скорости и прибор позволяет измерять мгновенные значения скорости.

Аппаратура подобного типа позволяет производить измерения средней скорости течения в диапазоне 10^-2-10м/с, мгновенной скорости в диапазоне 10^-3-4·10^-1м/с в частотном диапазоне 1-40Гц. При уровне собственных шумов в пределах 8·10^-4м/с погрешность измерения составляет 3% при постоянной времени не более 1с. Основным препятствием к применению измерителей скорости течений, использующих переменное магнитное поле, является сравнительно большое потребление энергии.

Термодинамический метод основан на зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости течения. В этом случае используется либо теплопередача от зонда к потоку (термоанемометр), либо от зонда к зонду через поток. Термодинамический метод используется в основном для исследования пульсационных характеристик течений. Между зондом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого в основном зависит от скорости течения. Впервые эта зависимость была использована для прибора, измеряющего скорость ветра (термоанемометр Кинга, 1913г.). Затем принцип теплообмена был использован для измерения скорости водного потока.

Наибольшее распространение в океанологической практике нашли проволочные, пленочные и гидрорезисторные термоанемометры. В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) проволочного датчика используется тонкая (диаметром 2-10мкм) нить из платины или сплава платины с иридием и вольфрамом. По принципу работы различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В первых приборах электрический ток поддерживается постоянным, при этом температура, а следовательно, и электрическое сопротивление изменяются в зависимости от импульсационной скорости. Во вторых- постоянными остаются температура, а значит, и сопротивление, при этом изменяющейся величиной является электрический ток. Здесь ЧЭ можно включить в мостовую схему. Второй способ наиболее распространен в океанологии.

В поток помещают ЧЭ в виде нити и пропускают через него ток, нагревающий его. В потоке нить охлаждается в зависимости от скорости потока, что изменяет ее электрическое сопротивление. Пусть нить перпендикулярна потоку, жидкость несжимаема, разность температур нити бесконечно мала, число Прандтля постоянно, тогда количество тепла Q, теряемого нитью в единицу времени, оценивается уравнением Кинга:

где L - длина нити; ΔT=T_н-T; T_н - температура нити; T - температура воды в потоке; k - коэффициент теплопроводности; ρ - плотность воды; c_p - коэффициент теплоемкости; d - диаметр нити. В безразмерной форме эта зависимость примет вид:

где A и B - константы; Nu=Q/(πLkΔT) - число Нуссельта; Re=Uρd/μ - число Рейнольдса. Тепло, теряемое нитью, компенсируется электроподогревом, который контролируется и служит средством измерения количества этого тепла. В практических расчетах потерю тепла находят из уравнения теплового равновесия:

где I_E - ток через ЧЭ с сопротивлением R; S - площадь поверхности охлаждаемого тела; α - коэффициент теплопередачи, являющийся функцией скорости потока, показатель теплового воздействия среды на тело. Для проволочных датчиков:

где c и m - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса и геометрических размеров датчиков; ν- коэффициент молекулярной вязкости. Для скорости потока до 80м/с k_c =0,015-0,03; c =0,82 и m =0,64.

В современных термоанемометрах вместо проволоки широко используется платиновая пленка, наносимая тонким слоем на подложку из кварцевого стекла в виде конуса или клина. Протекаемый через пленку ток, поддерживаемый постоянным, нагревает ее и создает определенную разность температур между датчиком и окружающей средой. В воде эта разность обычно составляет 10-20°C. Термоанемометры пленочного типа отличаются малым уровнем шумов. Среднеквадратический уровень шумов, приведенный к единице скорости, в диапазоне частот от 1 до 250Гц составляет 12·10^-5м/с.

В другом типе термоанемометрического измерителя используется гидрорезисторный датчик, ЧЭ которого является объем воды, заключенный между центральным (точка диаметром 0,5мм) и кольцевым (диаметр до 9мм) электродами. Электроды расположены на полусферической поверхности и включены в схему измерительного генератора, обеспечивающего передачу через пространство между электродами мощности, достаточной для нагрева измерительного объема. Этот объем нагревается непрерывно, и изменение температуры некоторого эквивалентного объема воды вблизи точечного электрода вызывает соответствующее изменение электропроводимости. Изменение добротности измерительного генератора при флуктуациях электропроводимости объема воды между электродами модулирует амплитуду напряжения на выходе измерительного генератора. Таким образом, амплитудная модуляция этого напряжения содержит в себе информацию о скорости набегания потока на ЧЭ датчика, включая пульсации набегающего потока. Минимальный размер пульсаций, измеряемых подобной аппаратурой, составляет около 2·10^-3м/с. Подобный датчик обладает широким частотным диапазоном (1-1000Гц). Подобно термоанемометрическим измерителям с пленочным ЧЭ, гидрорезисторные датчики помимо пульсаций скорости потока одновременно могут измерять пульсации температуры и в меньшей степени пульсации электропроводимости.

С помощью термоанемометров при скоростях набегающего потока до 3·10^-1м/с удается получить чувствительность 7·10^-4м/с. Приборы подобного типа могут измерять скорости течений в широких пределах от 0,01 до 0,15м/с с погрешностью 2-5%, а их информативность в принципе не зависит от средней скорости потока. К недостаткам термоанемометров следует отнести нелинейность градуировочной характеристики; влияние геометрических размеров датчиков на результаты измерений; зависимость результатов измерений от коррозии, обрастания, поляризационных эффектов и тому подобных причин, что снижает надежность термоанемометров и ограничивает иногда до нескольких часов время их использования.

Акустические методы измерения характеристик течений начали использоваться в океанологии где-то с середины 60-х годов. Акустические методы обладают высокой точностью и чувствительностью, что особенно важно при исследовании процессов турбулентности и малых скоростей течений. Большинство акустических методов основано на принципе измерения скорости прохождения ультразвука в морской воде, ибо скорость его распространения относительно прибора включает в себя и составляющую скорости движения исследуемой среды, вектор которой совпадает с вектором движения звуковой волны. Известно, что в турбулентном потоке, а это обычная картина для Мирового океана, существуют как флуктуации самой среды, так и, например, неоднородности температуры и различных концентраций. А температурные неоднородности, вызывающие колебания скорости звука, могут на порядок изменить измеряемую величину. Поэтому измерение скорости звука в одном направлении в океанологической практике из-за возникающих погрешностей малоэффективно. Это вызывает необходимость использовать приборы, измеряющие разность времени прохождения ультразвука между излучателем и приемником, движущихся в противоположных направлениях, чтобы свести к минимуму влияние колебаний скорости звука на точность измерения скорости потока. Для исследования мелкомасштабной турбулентности используется метод Доплера- регистрируется сдвиг частоты акустических колебаний за счет различных неоднородностей среды.

В измерителях подобного типа обычно применяют как минимум двух или даже трехкомпонентные датчики скорости.

Экспериментальные исследования различных конструкций акустических датчиков скорости потока (по И.С.Ковчину) показали, что их выходные сигналы в основном соответствуют косинусной диаграмме направленности при угле между направлениями акустических сигналов и водного потока не менее 25º. Поэтому направление акустических сигналов принудительно ориентируют под углом 45° к направлению измеряемой составляющей скорости, для чего используют акустические отражатели, например, из титанового сплава.

Подобная схема используется в конструкции акустического преобразователя измерителя течений АСМ-2. В качестве приемопередатчиков обычно используются пьезоэлектрические пластины. Так, в АСМ-2 они имеют диаметр 9,5мм и высоту 1мм. Пьезоэлектрические дисковые преобразователи размещены на концах литых алюминиевых кронштейнов на расстоянии d =11мм. Собственный резонанс такой конструкции близок, к несущей частоте f_изл =1,605МГц.

Рассмотрим принцип действия подобной аппаратуры. Пусть c -скорость распространения ультразвука в неподвижной среде; U - скорость течения; T₁ и T₂ - время прохождения импульса по и против течения соответственно на расстоянии базы L - между излучателем и приемником. Тогда:

а разность времени прохождения сигнала в разных направлениях:

является функцией c и U. При c =const значения ΔT однозначно определяют U. Но в реальных условиях скорость звука не постоянна и зависит от внешних факторов (температура, соленость морской воды и т.д.). Кроме того, для получения достаточной точности определения скорости потока необходимо измерять временные задержки с погрешностью не хуже ±10^-9с. Для избежания подобных явлений удобнее перейти от уравнения для приращения времени ΔT к уравнению для частоты принимаемых ультразвуковых сигналов. Сообразуясь с T₁ и T₂, имеем:

где f₁ и f₂ - частоты сигналов, распространившихся по и против течения соответственно. Отсюда:

Выражение подчеркивает однозначную зависимость разности частот Δf от скорости потока U и лежит в основе частотного метода измерения скорости распространения ультразвука. Быстродействие прибора определяется необходимой точностью измерений. При отсчете разности частот через 1с чувствительность измерений скорости составляет 4·10^-2м/с. Уменьшая дискретность опроса или увеличивая выходную частоту, можно повысить чувствительность. Объединив в одном устройстве несколько подобных измерителей можно одновременно измерить различные составляющие скорости. Чувствительность f, достигнутая в этих приборах, составляет 200кГц; df/dU =300Гц/(см·с).

При использовании фазовых методов измеряется разность фаз (время прихода) двух встречных акустических импульсов. Если φ₁ и φ₂- разности фаз между опорным сигналом, снимаемым с генератора, и сигналами, прошедшими по течению и против него соответственно, то:

где ω=2πf, т.е. чувствительность преобразователя, основанного на измерении скорости распространения ультразвука фазовым методом, пропорциональна частоте ω.

Широко используются и акустические измерители характеристик течения, основанные на определении доплеровского сдвига частоты излученных колебаний. Эффект Доплера заключается в том, что отраженный от перемещающегося объема воды, содержащего в себе множество неоднородностей и различных включений, ультразвуковой сигнал имеет частоту, отличную от излучаемой. Доплеровские преобразователи включают в себя акустические излучатели (И) и приемники (П) с узконаправленными характеристиками. На пересечении акустических лучей и находится объем воды, от которого отраженный сигнал поступает на приемник. Считается, что рассеиватели в рабочем объеме воды, включая планктон, взвеси и газовые пузырьки, соизмеримы или больше по размеру длины волны (λ =0,15мм) и их число достаточно велико. Они стационарны относительно потока и перемещаются вместе с ним. Поэтому отраженный сигнал несет в себе информацию о скорости потока. Оптимальный диапазон частот в доплеровских измерителях лежит в полосе 2-10МГц.

Затухание сигнала на частоте 10МГц составляет 20дБ/м. Использование высоких частот позволяет повысить разрешающую способность измерителя, а также формировать узконаправленные акустические лучи, используя малогабаритные излучатели. Рабочий объем воды располагается на расстоянии 30—60см от излучателя, что исключает внесения искажений в рабочий объем воды корпусом прибора. Сигнал доплеровской частоты проявляется в виде амплитудной модуляции несущей частоты.

Рассматривая расположение датчиков, с учетом соотношения векторов скорости течения и распространения акустического сигнала, можно записать:

где f_д - доплеровский сдвиг частоты; f^’ - частота принимаемого сигнала; f - частота излучаемого сигнала; β - угол между вектором скорости потока и направлением излучатель- приемник. Для реально достижимой точности L₁=L₂=L и при незначительных изменениях c можно считать:

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: