ACDP - cảm biến lưu lượng siêu âm cho dòng chảy có mặt cắt không ổn định

TẠI SAO CHÚNG TA SỬ DỤNG NÓ
Trình biên dịch âm thanh Doppler, thường được gọi bằng từ viết tắt ADCP. Các nhà khoa học sử dụng thiết bị này để đo tốc độ nước di chuyển trên toàn bộ cột nước. Một ADCP được neo dưới đáy biển có thể đo tốc độ dòng chảy không chỉ ở phía dưới mà còn ở những khoảng thời gian bằng nhau cho đến tận bề mặt. Thiết bị này cũng có thể được gắn nằm ngang trên đê biển hoặc cọc cầu ở sông và kênh để đo biên dạng dòng chảy từ bờ này sang bờ khác và ở đáy tàu để thực hiện các phép đo dòng điện không đổi khi tàu di chuyển. Ở những khu vực rất sâu, chúng có thể được hạ xuống bằng cáp từ bề mặt.

NÓ HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO?
ADCP đo dòng nước bằng âm thanh, sử dụng nguyên lý sóng âm gọi là hiệu ứng Doppler. Sóng âm thanh có tần số hoặc cao độ cao hơn khi nó di chuyển đến bạn so với khi nó di chuyển ra xa. Bạn nghe thấy hiệu ứng Doppler hoạt động khi một chiếc ô tô chạy nhanh qua với một chuỗi âm thanh đặc trưng sẽ nhỏ dần khi chiếc ô tô đó đi qua.

ADCP hoạt động bằng cách truyền "ping" âm thanh với tần số không đổi vào trong nước. (Tiếng ping có cường độ cao đến mức con người và thậm chí cả cá heo không thể nghe thấy chúng.) Khi sóng âm truyền đi, chúng bật ra khỏi các hạt lơ lửng trong nước đang chuyển động và phản xạ trở lại nhạc cụ. Do hiệu ứng Doppler, sóng âm bị dội ngược lại từ một hạt di chuyển ra khỏi máy thu âm có tần số thấp hơn một chút khi chúng quay trở lại. Các hạt di chuyển về phía thiết bị sẽ gửi lại sóng tần số cao hơn. Sự khác biệt về tần số giữa các sóng mà trình phân tích gửi đi và các sóng mà nó nhận được được gọi là sự dịch chuyển Doppler. Thiết bị sử dụng sự dịch chuyển này để tính toán tốc độ chuyển động của hạt và nước xung quanh nó.

Sóng âm thanh chạm vào các hạt ở xa thiết bị phân tích sẽ mất nhiều thời gian quay trở lại hơn so với sóng tấn công ở gần. Bằng cách đo thời gian để sóng phản xạ trở lại và sự dịch chuyển Doppler, trình phân tích có thể đo tốc độ hiện tại ở nhiều độ sâu khác nhau với mỗi chuỗi ping.

ADCP sử dụng hiệu ứng Doppler bằng cách truyền “tiếng ping” âm thanh bằng cách sử dụng một chuỗi xung nhanh nhất quán để bật lại các hạt lơ lửng trong nước chuyển động và phản xạ trở lại thiết bị. Các hạt di chuyển về phía thiết bị sẽ phản hồi lại các sóng có tần số (hoặc cao độ) cao hơn, trong khi các hạt di chuyển ra xa sẽ tạo ra phản hồi có tần số thấp hơn. Vì các hạt di chuyển với cùng tốc độ với nước mang chúng, nên sự khác biệt về tần số giữa sóng âm thanh mà thiết bị phân tích gửi đi và sóng âm thanh mà nó nhận được có thể được sử dụng để tính toán tốc độ chuyển động của hạt và nước xung quanh nó. Hệ thống theo dõi thời điểm mỗi ping được trả về; vì các ping đi xa hơn (thấp hơn) sẽ quay lại sau, điều này chuyển thành dữ liệu hiện tại ở nhiều độ sâu khác nhau.

ADCP sử dụng một loạt bộ chuyển đổi âm thanh phát và nhận ping từ các hướng khác nhau. Thiết bị có thể được gắn trực tiếp trên một vật thể đứng yên như phao neo hoặc thậm chí trực tiếp trên đáy biển. Chúng cũng có thể được gắn vào một phương tiện di chuyển, chẳng hạn như tàu hoặc các phương tiện không người lái dưới nước và trên mặt nước. Trên các tàu nghiên cứu lớn, ADCP được gắn cố định ở đáy vỏ ngoài của tàu.

Cũng như các loại sonar khác, ADCP có sẵn ở các tần số khác nhau. Tần số cao hơn, chẳng hạn như 300 kiloHertz (kHz), rất hữu ích trong việc cung cấp dữ liệu có độ phân giải cao gần bề mặt với phạm vi độ sâu khoảng 70 mét (230 feet). ADCP tần số thấp hơn, chẳng hạn như 38 kHz, sẽ cung cấp dữ liệu có độ phân giải thấp hơn ở phạm vi độ sâu lên tới 1.300 mét (4.265 feet), tùy thuộc vào mức độ tiếng ồn xung quanh trong sông, hồ, đại dương.

LÀM THẾ NÀO NEO CHÚNG?
ADCP được gắn phía dưới cần có neo để giữ chúng ở phía dưới, pin và bộ ghi dữ liệu bên trong. Các thiết bị gắn trên tàu cần một con tàu có nguồn điện, một máy tính trên tàu để nhận dữ liệu và hệ thống định vị GPS (để dữ liệu hiện tại có thể trừ đi chuyển động của chính con tàu). ADCP không có đầu đọc bên ngoài nên dữ liệu phải được lưu trữ và thao tác trên máy tính. Hiện có sẵn các chương trình phần mềm được thiết kế để làm việc với dữ liệu ADCP.

ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM

ƯU ĐIỂM:
- Trước đây, việc đo biên dạng độ sâu hiện tại yêu cầu sử dụng các dây dẫn dài. Điều này không còn cần thiết nữa;

- Đo lưu lượng quy mô nhỏ;

- Không giống như công nghệ trước đây, ADCP đo tốc độ tuyệt đối của nước, chứ không chỉ đo tốc độ chuyển động của khối nước này so với khối nước khác;

- Đo cột nước sâu tới 1000m.

NHƯỢC ĐIỂM
- Những tiếng ping tần số cao mang lại dữ liệu chính xác hơn, nhưng những tiếng ping tần số thấp sẽ truyền đi xa hơn trong nước. Vì vậy, các nhà khoa học phải thỏa hiệp giữa khoảng cách mà trình hồ sơ có thể đo được và độ chính xác của phép đo;

- ADCP được đặt thành "ping" nhanh chóng cũng nhanh hết pin;

- Nếu nước rất trong, như ở vùng nhiệt đới, tiếng ping có thể không đánh đủ hạt để tạo ra dữ liệu đáng tin cậy;

- Bong bóng trong nước hỗn loạn hoặc các đàn sinh vật biển bơi lội có thể khiến thiết bị tính toán sai dòng chảy;

- Người dùng phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa để tránh hà và tảo phát triển trên đầu dò;

- Dải quét của chùm siêu âm chỉ khoảng 50m nên muốn đo bề rộng lớn cần phải dùng thuyền để quét, rà đi rà lại, và hệ thống dây để thả cảm biến xuống các độ cao khác nhau;

- Sai số +/-2% khá lớn;