ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

 

در دنیای امروز، کشتی ها و قایق ها نقش اساسی در حمل و نقل، صنایع نظامی، غذایی، تفریحی و ... ایفا می کنند. بنابراین کاربرد گسترده ای در صنعت دارند. یکی از مهم ترین پارامترهایی که باید مدام در کشتی ها و قایق ها کنترل شود، پروفیل سرعت وسیله و جریان آب می باشد. به همین جهت ساخت سرعت سنج های مربوط به این وسایل حمل و نقل در سال های اخیر توجهات زیادی را به خود جلب کرده است.در یک وسیله حمل و نقل دریایی برای اندازه گیری سرعت جریان و قایق از وسیله ای به نام ADCP استفاده می شود. چند نمونه از ADCPهای تجاری ساخته شده، در شکل زیر نشان داده شده اند:

 

 

ADCP ها با اصل داپلر کار می کنند. این وسیله بر روی قایق نصب شده و با فرستادن موج و دریافت بازتاب آن از اجزا و ذرات درون آب، رسوب و یا کف دریاچه برای به دست آوردن سرعت نسبی بین قایق و ذرات و یا سرعت نسبی بین قایق و کف دریاچه استفاده می کند. مبنای محاسبه سرعت، شیفت فرکانسی داپلر بوده و راستای سرعت نسبی اندازه گیری شده نیز همان راستای ارسال و دریافت موج می باشد. رابطه محاسبه سرعت نسبی در این وسیله، به صورت زیر است:

 

 

در این رابطه fr فرکانس موج دریافتی، ft فرکانس موج ارسالی و زاویه Φ زاویه بین ارسال موج و جهت جریان می باشد. ADCP ها بدین صورت عمل می کنند که موج ارسال شده از آنها به ذرات موجود در آب برخورد کرده، بخشی از آن بازتاب شده و قسمت زیادی از موج، از ذرات عبور می کند (شکل زیر)

 

 

حال ADCP کل عمق را به سلول های مجزا با فاصله های یکسان تفکیک کرده و بر اساس زمان برگشت موج، موج های دریافتی را در سلول های مربوطه طبقه بندی می کند (تشخیص می دهد که موج دریافتی متعلق به کدام سلول بوده است). سپس با میانگین گیری از موج های مربوط به هر سلول، سرعت نسبی را در هر سلول محاسبه می کند. بدین ترتیب با کنار هم قرار دادن این سلول ها، پروفیل سرعت را در عمق رسم می کند(شکل زیر).

 

 

 

برای محاسبه سرعت قایق نیز از کف دریاچه استفاده شده که این روش، tracking Bottom  نام دارد. بدین صورت که در میان آرایه موج های دریافتی، تعدادی از امواج بیشترین مدت زمان رفت و برگشت را دارند که نشان می دهد این موج ها از کف دریاچه بازتاب شده اند همچنین قدرت موج های بازگشتی از کف دریاچه، خیلی بیشتر از قدرت موج های بازگشتی از ذرات و اجزای داخل آب است. بنابراین ولتاژ بزرگتری در دریافت کننده ایجاد کرده و از این مسئله برای مشخص کردن موج های بازتاب شده از کف دریاچه استفاده می شود. سپس با توجه به ثابت بودن کف دریاچه، از روی سرعت نسبی محاسبه شده توسط این امواج بازتابی، میتوان سرعت قایق را اندازه گیری کرد. با داشتن سرعت قایق و سرعت نسبی بین قایق و سلول های تفکیک شده درون آب نیز میتوان سرعت جریان در مناطق مختلف دریاچه و بنابراین پروفیل سرعت جریان را محاسبه نمود.

این وسایل می توانند فرکانس ثابت و یا فرکانس متغیر باشند. همچنین beam های تشکیل دهنده آنها نیز می توانند فرکانس های متفاوتی نسبت به هم داشته باشند. کمترین فرکانسی که این ابزارها در کاربردهای تجاری از آن استفاده می کنند، حدودا 30 کیلوهرتز می باشد. محدوده رایج فرکانس در اندازه گیری سرعت در دریاچه ها، بین 300 تا 3000 کیلوهرتز است. بر اساس پردازش نوع سیگنال نیز، ADCPها به دو دسته پهنای باند کوتاه و پهنای باند بلند طبقه بندی می شوند. زمانی از پهنای باند بلند استفاده می شود که شیفت فرکانسی داپلر در مقایسه با فرکانس موج ارسالی مقدار قابل توجهی داشته باشد. اما باید توجه داشت که استفاده از پهنای باند بلند، قدرت موج ارسالی را کاهش می دهد.