Спосіб визначення профілю швидкості звуку і профілю швидкості потоку в газоподібних і рідких середовищах

Спосіб визначення профілю швидкості звуку і профілю швидкості потоку в газоподібних і рідких середовищах, при якому використовують відбивач 2 (19) 1 3  4(і1),  4і - час надходження сигналу, який був ви промінений четвертим перетворювачем, відображений відповідно (і-1)-м і і-м відбивачами і прийнятий третім перетворювачем; αі-1, αі - кути між горизонталлю і напрямом на відповідно (і-1)-й і і-й відбивачі від кожного з перетворювачів; Винахід відноситься до вимірювальної техніки і призначений для використання в гідрометеорології для вимірювання профілів швидкості звуку і профілів швидкості вітру в атмосфері і течії у водних потоках. Відомі спосіб і пристрій вимірювання профілю швидкості потоку, що використовують залежність допплерівського зсуву частоти відображеного від неоднородностей середовища по трасі акустичного сигналу від відношення зустрічної або попутної складової швидкості потоку до швидкості звуку в середовищі [1]. У цьому способі не вимірюється профіль швидкості звуку, яка передбачається відомою і постійною. У реальному середовищі швидкість звуку залежить від стратифікації і може змінюватися по акустичній трасі в морі, водоймищі і в атмосфері на десятки відсотків. Це приводить як до погрішностей вимірювання швидкості потоку, так і до погрішностей просторової прив'язки по трасі результатів вимірювання. Крім того, профіль швидкості звуку представляє самостійний інтерес. Відомі способи і пристрої не забезпечують одночасного вимірювання профілю швидкості потоку і профілю швидкості звуку. Відомий спосіб визначення швидкості потоку в середовищі, використаний у вимірнику WindSonic [2], вибраний як прототип, в якому, як і в заявленому технічному рішенні, використовують відбивач і підключені до блоку електроніки чотири акустичні перетворювачі, які розміщені в горизонтальній площині у вершинах квадрата, формують почергові передачу і прийом зустрічних імпульсних акустичних сигналів, які відображені, парами акустичних перетворювачів, які розташовані на одній 93298 4 l0- відстань по осі х між першим і другим перетворювачами і по осі у між третім і четвертим перетворювачами; __ і  1n . , діагоналі квадрата, і фіксують час приходу сигналів, які відображені. Прототип не забезпечує одночасного вимірювання профілю швидкості потоку і профілю швидкості звуку. У основу винаходу поставлено завдання створення способу визначення профілю швидкості звуку і профілю швидкості потоку в газоподібних і рідких середовищах, сукупністю суттєвих ознак якого забезпечується технічний результат - можливість одночасного вимірювання профілю складових горизонтального вектора швидкості потоку і профілю швидкості звуку в середовищі і підвищення точності вимірювань швидкості потоку і просторової прив'язки профілю швидкості потоку. Поставлене завдання вирішується тим, що використовують чотири акустичні перетворювачі, які розміщені полярно на одній діагоналі в горизонтальній площині в першій і другій, і в третій і четвертій вершинах квадрата, і ланцюжок з n акустичних відбивачів, які розміщені послідовно на тримачі на осі, перпендикулярній площині квадрата і що проходить через центр квадрата, орієнтують акустичні перетворювачі на ланцюжок відбивачів так, щоб всі відбивачі знаходилися в області діаграми спрямованості кожного з акустичних перетворювачів, формують почергові передачу і прийом зустрічних імпульсних акустичних сигналів, які відображені, парами акустичних перетворювачів, які розташовані на одній діагоналі квадрата, фіксують час приходу послідовності сигналів, які відображені, від ланцюжка відбивачів, визначають ортогональні складові Vx(і-1)і і Vу(і-1)і горизонтального вектора швидкості потоку і значення швидкості звуку Сx(і-1)і і Су(і-1)і по осях х і у в шарі між (і-1)-м і і-м відбивачами по формулах                 sin   l0  2i  1i sin  i 2(i1) 1(i1sin  i1   ) sin     l00  2ii 1i l   2(1) 1(i(1)1) sin ii1  ,  1 i 1  2(i i 1) 2 CC x1)1) ( tg  tg )   2 cos 2  ii     x(i (ii i 2  cos 2 ,, 22tgi itgii1)) 1iii2i cos ii ( ( tgi tg1  1 2 1 1)2(i cos 2   1  i 1((ii12i(1)cos 2 i1i  1(i1) ) 2( i 1) ) i1  1 i  i 1  1        sin   4i  3i sin  i 4((ii1)3(1sin  i1  sin i   l0l  4ii  i l00  1  ii  44i1)1) 33i(i1)1) ) sin i1  , (  ( i C yC)1)  4 3 C (i(y11)ii  ,  y i (i i 2  2(2tgi tgii1)) 3i4i cos 2  i  3(i1) 4(i1)cos 22 i , tgtgiitg1)    cos 2   i  2( ( tg i 1  3ii 4 1 3(144i() ) cosii1 1   3 i  3(i i 1) ) ( i 11cos i         sin  2i(i1)1) (i1(11sin 1i1   sin    l0l0  l0 (   2iii  1ii sin iii  22(i1)1()1) ) sin ii,  2  1 1 ii 1 , Vxi(11)ii  Vx(Vx)1)   ,   2 i (i i 3 3 33 tg i 1 2( ( tgiitg1)  1 2 cos  1((ii12i() 1)cos  i1i  cos i 11 2(2tgi  tgii1)) 1ii2ii cos 3 ii tg 11  )  i i 1  (i1)1)2(2(1 ) cos       4  ( 4ii   3i sin i 4((ii1)) 3i(11sin i1i1  ( l0 sin  1   l0l0   4i  3i sin ii  44i1)1  33i()1) ) sin i ,,  i  Vi (iii   , Vy(y1)1)   Vy(i1)i  3 tg )    cos 3 22tgi  tgi1)  3ii 4 i cos 3 i ( ( tgitgi 1)   3  4 cos 3  3(14i() ) cos 33i1 1  3(i i 1) ) 4( i 11cos i    2( tgi  ii 3(i1)4(i1) cos i  i1  3i 4ii  1  C x(i1)i  C  (1) (2) (3) (4) 5 де 1(і1), 1і - час приходу сигналу, який був випромінений 1-м перетворювачем, відображений відповідно (i-1)-м і i-м відбивачами і прийнятий 2-м перетворювачем; 2(і1), 2і - час приходу сигналу, який був випромінений 2-м перетворювачем, відображений відповідно (і-1)-м і і-м відбивачами і прийнятий 1-м перетворювачем; 3(і1), 3і - час приходу сигналу, який був випромінений 3-м перетворювачем, відображений відповідно (і-1)-м і і-м відбивачами і прийнятий 4-м перетворювачем;  4(і1),  4і - час приходу сигналу, який був випромінений 4-м перетворювачем, відображений відповідно (і-1)-м і і-м відбивачами і прийнятий 3-м перетворювачем; αі-1, αі - кути між горизонталлю і напрямом на відповідно (і-1)-й і і-й відбивачі від кожного з перетворювачів; l0- відстань по осі х між 1-м і 2-м перетворювачами і по осі у між 3-м і 4-м перетворювачами; __ і  1n . , Сутність винаходу пояснюється за допомогою ілюстрацій, на яких зображено: Фіг.1 - схема перекриття діаграм спрямованості пари акустичних перетворювачів П1 - П2 (або пари перетворювачів П3 - П4) на ланцюжку відбивачів; Фіг.2 - схема акустичних трас перетворювачів П1 - П2 (або П3 - П4); Фіг.3 - схема профілю вектора швидкості потоку; Фіг.4 - діаграми послідовностей сигналів, які відображені, при роботі пар акустичних перетворювачів П1 - П2 (П3 - П4); Фіг.5 - структурна схема пристрою для реалізації заявленого способу, який містить: 1 - блок електроніки; 2 - підключені до блоку електроніки чотири акустичні перетворювачі 21, 22, 23, 24 (відповідно П1 - П4); 3 - сторона квадрата, у вершинах якого розміщені перетворювачі, при цьому діагоналі квадрата мають довжину l0 і орієнтовані по осях х і у прямокутної системи координат; 4 - тримач, встановлений в центрі квадрата по осі z; 5i __ ( і  1 n ) - n акустичних відбивачів Ві, закріплених , на тримачі 4; Фіг.6-8 - приклади постановки в потоці пристрою, що реалізовує заявлений спосіб. Для вимірювання складової вектора швидкості, наприклад Vxi у напрямі осі х так, як це показано на Фіг.1, акустичні перетворювачі П1 і П2 розміщуються на осі х на відстані l0 один від одного, ланцюжок відбивачів Bi встановлюється на тримачі, що проходить через середину відрізка між перетворювачами П1 і П2 перпендикулярно до осі х уздовж профілю вимірюваних величин по осі z, діаграми спрямованості перетворювачів П1 і П2 виконуються такими і орієнтуються так, щоб всі відбивачі знаходилися в їх області. Відстані між 93298 6 __ відбивачами Вi ( і  1 n ) і число відбивачів n вста, новлюються виходячи з вимог просторового розділення по осі z і числа точок на профілі. Напрям від перетворювачів на i-й відбивач визначається кутом αi. Вимірювання Vxi проводять в два такти. У першому такті забезпечують передачу імпульсного акустичного сигналу перетворювачем П1, прийом сигналу перетворювачем П2 і фіксацію часу приходу 1і послідовності сигналів, які відображені, від ланцюжка відбивачів Ві. У другому такті забезпечують передачу сигналу перетворювачем П2, прийом сигналу перетворювачем П1 і фіксацію часу приходу 2і послідовності сигналів, які відображені. Далі для визначення складових Vxj швидкості потоку і Схі швидкості звуку, відповідних значенням середніх величин в шарі середовища від горизонталі по осі х і і-им відбивачем по осі z, використовують відомий метод двох зустрічних акустичних сигналів [2], суть якого для даного способу пояснюється Фіг.2, де зображена схема акустичних трас і складова Vхі вектора швидкості потоку. При проходженні сигналом траси П1 - Ві - П2 до швидкості звуку Схі додається проекція складової Vxi вектора швидкості течії, рівна Vxj cos αi, і сумарна швидкість сигналу складає Cxj + Vxi cos αi. Час проходження траси складе l0 1і  . (5) cos i (Cxi  Vxi cos i ) При проходженні сигналом траси П2 - Вi - П1 складова вектора швидкості течії Vхі направлена зустрічно напряму розповсюдження сигналу, тому сумарна швидкість сигналу складає Схі - Vxi cos αi, а час проходження траси складе l0 2і  . (6) cos i (Cxi  Vxi cos i ) З виразів (5) і (6) отримаємо для середніх швидкостей в i-м шарі від 0 до i-го відбивача Сxi  xi __ __ ( 1ii  2ii )l0 1 2 0 , i  1 n, , 21ii  2ii cos ii 1 2 (7) Vxi  xi __ __ ( 2ii  1ii )l0 2 1 0 , i  1 n, , 2 21ii  2ii cos 2 ii 1 2 (8) Для отримання профілю середніх швидкостей необхідно визначити середні швидкості Vx(i-1)i i Сx(i1)i в шарах між відбивачами (i-1)-м і i-м. Можна записати C z z  z 1 Cx(i1)  zi1 Сx  x(i1) i1  Cx(ii1)ii zii  zii1 , (9)  Cx( 1) , Сx ii  (9) zii zii z z V z z  z 1 Vx(i1)  zi1 Vx  x(i1) i1  Vx(ii1)ii zii  zii1 , (10 )  Vx( 1) , (10 ) (10) Vx ii  zii zii z z де zi - координата i-го відбивача по осі z. З виразів (9) і (10) для профілів складових швидкостей в площині xoz отримаємо Cxi  zi  Cx(i1)  zi1 Cx(i1)i  , (11) (11) zi  zi1 Vx(i1)i  Vxi  zi  Vx(i1)  zi1 zi  zi1 , (12 ) (12) Сy i  Vy i  7 Для отримання профілів складових Vy(i-x)i і Су(ішвидкостей в площині yoz аналогічно використовується друга пара перетворювачів П3 і П4, виконується передача і прийом зустрічних акустичних сигналів, фіксується час приходу сигналів, які відображені, 3i і 4і і використовуються формули __ __ ( 3  4 )l0 __ Сy ii  ( 3iii  4iii )l0 , i  1, n, 3 4 0 Сy i  2   cos  , i  1, n, y 23ii  4ii cos ii 3 4 3i 3i Vy ii  Vy i  y 4i 4i (13) i __ __ __ ( 4ii  3ii )l0 ( 4i  3i )l0 , i  1, n, 4 3 0 , i  1, n, 2 23i  4i cos 2 i 2  Cy(i1)i  Cy(i1)i  23i  4i cos 2 i __ , i  1, n, Cy i  zi  Cy(i1)  zi1 8 , zi  zi1 Vy i  zi  Vy(i1)  zi1 (16) , zi  zi1 Оскільки початковими для обчислень є геометричні параметри схеми розташування перетворювачів l0 і α1, а також час приходу сигналів, які Vy(i1)i  __ відображені, 1i, 2і, 3i, 4i, і  1 n , то доцільно за, писати вирази для профілів швидкостей в явному вигляді (1)-(4): (14) i Cy i  zi  Cy(i1)  zi1 Cy i  zi  Cy(i1)  zi1 , , zi  zi1 (15) i1 i Vy(ii1)ii  Vy( 1)  ( 4i  3i )l0 Cy(i1)i  93298 x)і __ ( 3i  4i )l0 , i  1, n, 23i  4i cos i Vy ii  zii  Vy(ii1)  zii1 Vy  z  Vy( 1)  z 1 , ,     sin  zii  zii1 z  z 1 l0  2i 1i i  С x(i1)i   2( tgi  tgi1)  1i2i cos 2 i      sin  l0  4 i 3i i С y(i1)i    2( tgi  tgi1)  3i4i cos 2 i  Vx(i1)i Vy(i1)i 2(i1)  1(i1) sin i1 ,   1(i1)2(i1) cos 2 i1   4(i1)  3(i1) sin i1   , 3(i1)4(i1) cos 2 i1       sin   2(i1)  1(i1) sin i1  l0  2i 1i i    , 2( tgi  tgi1)  1i2i cos 3 i 1(i1)2(i1) cos 3 i1        sin  4(i1)  3(i1) sin i1  l0  4i 3 i  i    . 3 2( tgi  tgi1)  3i4i cos i 3(i1)4(i1) cos 3 i1       Швидкість звуку С(i-1)i не є векторною величиною, проте, якщо Cx (i-1)i  Cy (i-1)i , то має місце анізотропія швидкості звуку по осях х і у в шарі між (і__ 1)-м і і-м відбивачами ( і  1 n ). , У заявленому способі діаграми спрямованості акустичних перетворювачів орієнтовані так, що вони захоплюють всі відбивачі, для перетворювачів 21 і 22 - в площині xoz, для перетворювачів 23 і 24 - в площини yoz, і напрями акустичних трас на ій відбивач складають з горизонталлю кут α1. При роботі пристрою пари акустичних перетворювачів 21, 22 і 23, 24 послідовно випромінюють зустрічно імпульсні акустичні сигнали і приймають відображені, блок електроніки 1 фіксує час приходу сигна__ лів, які відображені, 1i, 2і, 3i, 4i, ( і  1 n ), і визна, чає профілі складових швидкості звуку    Cx (i-1)i, Cy (i-1)i і складових швидкості потоку Vx (i-1)i і Vy (i-1)i по формулах (1)-(4). Для здійснення способу як відбивачі 5і можуть використовуватися круги, диски, сфери. Тримачем 4 може бути стрижень, трос, фал. Пристрій може використовуватися у водному середовищі у вигляді буя на розтяжках з відбивачами на тросі і акустичними перетворювачами П1 - П4, які розміщені на буї (Фіг.6), на дні (Фіг.7). При використанні пристрою в повітрі тримачем 4 відбивачів може бути щогла, а акустичні перетворювачі П1 - П4 можуть бути розміщені на поверхні землі (Фіг.8). Джерела інформації: 1. U.S. Patent 5, 615, 173 3/1997, Brumley et. al. 2. http://gill.COUK/PRODUCTS/WindSonic.MTMпрототип. 9 93298 10 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 93298 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601