Ультразвуковой 3D-анемометр с каналом контроля функционирования
ULTRASONIC 3D ANEMOMETER WITH FUNCTIONING CONTROL CHANNEL

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения скорости ветра, основанным на использовании акустического метода измерений - ультразвуковым анемометрам.
1,2
1
2
ветра
Известны акустические (ультразвуковые) анемометры (анеморумбометры) предназначенные для измерения скорости и направления ветра в приземном слое атмосферы [1]. Принцип действия этих приборов основан на измерении времени пролета t акустических импульсов через движущуюся воздушную среду между излучателем и приемником звука в прямом (t) и обратном (t) направлениях и вычислении величины скорости ветра V из известного соотношения [2]:
(здесь L - расстояние между излучателем и приемником акустических импульсов).
Ультразвуковые анеморумбометры, обеспечивающие измерение трех ортогональных компонент скорости ветра (3D-анемометры), позволяют определять горизонтальную и вертикальную скорость ветра и его направление, а также вычислять так называемую «ультразвуковую» температуру воздуха на основе известных соотношений [2]:
i
i
1,2i
i
1i
2i
уз
где V - ортогональные компоненты скорости ветра (i=х, у, z), L - расстояния между попарно согласованными излучателями и приемниками акустических импульсов (i=1, 2, 3), t - время пролета акустических импульсов расстояния L между излучателем и приемником в прямом (t) и обратном (t) направлениях, С - скорость звука в воздухе, Т - «ультразвуковая» температура воздуха.
i
Ультразвуковые анемометры имеют существенное преимущество перед широко распространенными механическими благодаря высокой надежности (в приборе отсутствуют механически двигающиеся элементы), малой инерционности и высокой чувствительности. К недостаткам акустических анемометров можно отнести критическую зависимость погрешности измерений от возможных в процессе эксплуатации (например, из-за случайных механических и температурных воздействий) даже малых изменений расстояний L между излучателями и приемниками ультразвуковых импульсов, а также произвольных уходов параметров электронных схем прибора, осуществляющих точное измерение времени пролета tj акустических импульсов. Это обстоятельство требует выполнения достаточно частой периодической поверки приборов, что связано с необходимостью вывода прибора из эксплуатации на значительный срок, а для ситуаций, где требуется непрерывность выполнения измерений (в частности, на измерительной сети Росгидромета) - замены его на резервный. Ввиду отсутствия технических решений, позволяющих контролировать соответствие метрологических параметров прибора паспортным данным (выполнять контроль функционирования прибора) непосредственно в ходе его эксплуатации, общепринято выполнять поверку анемометров один раз в год вне зависимости от реальной необходимости этого мероприятия (практически, по разным причинам, анемометр может выдавать ошибочные показания задолго до наступления срока поверки, либо напротив, не нуждаться в поверке и корректировке в течение срока, существенно превышающего установленный межповерочный интервал). Оптимизация частоты поверок анемометров (выполнение поверки прибора по мере действительной необходимости в этом и увеличение межповерочного интервала) позволит, с одной стороны, избежать получения необъективных данных, а с другой - существенно сэкономить трудовые и финансовые затраты на обеспечение функционирования измерительных сетей, в составе которых используются анемометры (Росгидромет и другие ведомственные сети, осуществляющие измерения такого рода).
i
д
i
уз
д
i
Следует отметить, что для ограниченного класса приборов, измеряющих скорость ветра ультразвуковым методом, известны технические решения, позволяющие выполнять контроль соответствия метрологических параметров прибора паспортным данным и даже выполнять калибровку прибора непосредственно в ходе его эксплуатации. Эта задача принципиально решена для акустических термоанемометров (приборов, измеряющих одновременно скорость ветра и температуру воздуха ультразвуковым методом). Суть решения заключается в периодическом помещении акустического термоанемометра в изолированный от внешних воздействий бокс - «камеру нулевого ветра», в котором отсутствует направленное движение воздуха (V=0) и осуществляется контроль температуры воздуха (Т) посредством дополнительного датчика, установленного внутри камеры. При этом из соотношений (1) с учетом того, что V=0 и известном значении Т=Т, могут быть определены значения расстояний L между акустическими излучателями и приемниками, то есть проведена калибровка акустического термоанемометра [3].
На практике данное техническое решение может быть применено только для узкого класса акустических термоанемометров специального назначения [4], имеющих электромеханическую систему подъема/опускания метеомачты и переноса термоанемометра в камеру нулевого ветра (при этом, в известных конструкциях такого назначения высота метеомачты ограничена, максимум, четырьмя метрами, а увеличение этой характеристики приводит к существенному усложнению конструкции и неоправданному увеличению ее стоимости). Таким образом, данное техническое решение практически не может быть использовано для обеспечения работы акустических анемометров массового применения (например, работающих в составе измерительной сети Росгидромета), где требуется установка измерительного прибора на высоте 10-12 метров и существуют жесткие ограничения по стоимости прибора.
Известный ультразвуковой анеморумбометр, обеспечивающий измерение 3-х ортогональных компонент скорости ветра (или горизонтальную и вертикальную скорость ветра) (3D-анемометр), имеет в своем составе не менее 3-х акустических каналов, образованных попарно согласованными излучателями и приемниками акустических импульсов, блок генерации электрических импульсов, блок измерения времени пролета акустических импульсов, блок вычисления компонент скорости ветра и блок индикации [5] (прототип).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение автоматического контроля соответствия фактической погрешности измерений скорости ветра ультразвуковым анемометром его паспортным характеристикам непосредственно во время работы (без вывода анемометра из процесса эксплуатации). При этом исключается необходимость помещения прибора в «камеру нулевого ветра».
Технический результат - оптимизация сроков проведения метрологических поверок ультразвукового анемометра, увеличение межповерочного интервала.
Указанный технический результат достигается тем, что в состав ультразвукового анемометра, имеющего блок генерации электрических импульсов, блок электроакустических преобразователей, образующих три измерительных акустических канала, блок измерения времени пролета акустических импульсов, блок вычисления компонент скорости ветра и блок индикации дополнительно введены блок вычисления ультразвуковой температуры воздуха, блок усреднения данных об ультразвуковой температуре воздуха, блок сравнения температуры, контактный датчик температуры воздуха и датчик солнечного сияния таким образом, что блок вычисления ультразвуковой температуры воздуха подключен параллельно блоку вычисления компонент скорости ветра к выходу блока измерения времени пролета акустических импульсов, а выход блока вычисления ультразвуковой температуры воздуха через блок усреднения данных об ультразвуковой температуре воздуха подключен к 1-му (сигнальному) входу блока сравнения температуры, к 3-му (сигнальному) входу которого подключен контактный датчик температуры воздуха, который размещен в непосредственной близости от зоны расположения акустических каналов, при этом датчик солнечного сияния подключен к 2-му (управляющему) входу блока сравнения температуры, выход которого подключен к 2-му входу блока индикации.
уз
уз
д
уз
д
Блок-схема предложенного устройства изображена на фиг., где 1 - блок генерации электрических импульсов, 2 - блок электроакустических преобразователей, 3 - блок измерения времени пролета акустических импульсов, 4 - блок вычисления компонент скорости ветра, 5 - блок вычисления ультразвуковой температуры воздуха, 6 - блок усреднения, 7 - контактный датчик температуры воздуха, 8 - датчик солнечного сияния, 9 - блок сравнения температуры, 10 - блок индикации. Устройство работает следующим образом. Блок генерации электрических импульсов (1) вырабатывает электрические импульсы, которые поступают в блок электроакустических преобразователей (2) и в блок измерения времени пролета акустических импульсов (3), при этом акустические излучатели излучают, а акустические приемники принимают ультразвуковые импульсы, распространяющиеся по воздуху в измерительной зоне в трех ортогональных направлениях. В блоке измерения времени (3) осуществляется определение времени пролета ультразвуковых импульсов, распространяющиеся в трех ортогональных направлениях. Эти значения поступают в блок вычисления компонент скорости ветра (4) и в блок вычисления ультразвуковой температуры воздуха (5). В блоке (4) по формулам 2) происходит вычисление компонент скорости ветра и пересчет их в значения горизонтальной и вертикальной скоростей ветра (включая их направления), в блоке (5) по этим же формулам 2) происходит вычисление мгновенных значений ультразвуковой температуры воздуха Т, которые поступают в блок усреднения (6). В блоке усреднения (6) выполняется усреднение мгновенных значений ультразвуковой температуры воздуха Т за период, соответствующий постоянной времени контактного датчика температуры воздуха (7), затем эти данные передаются на 1-й (сигнальный) вход блока сравнения температуры (9). Контактный датчик температуры воздуха (7) определяет температуру Т непосредственно в зоне работы акустических каналов блока электроакустических преобразователей (2), и эти данные поступают на 3-й (сигнальный) вход блока сравнения температуры (9). На 2-й (управляющий) вход блока сравнения температуры (9) поступают сигналы с датчика солнечного сияния (8) в виде двоичного кода - «единица», если датчик не освещен (нет солнечного света - ночь), и «ноль», если датчик освещен (солнечный свет есть - день). Если на 2-м управляющем входе блока сравнения температуры (9) появляется кодовый сигнал «ноль» (соответствует дневному времени суток), то сравнение значений температур воздуха, поступающих на 1-й и 3-й входы блока (9) не производится, и с выхода блока (9) на вход блока индикации (10) подается команда «нет контроля», говорящая о том, что в текущее время контроль функционирования 3D-анемометра не выполняется. Если на 2-м управляющем входе блока сравнения температуры (9) появляется кодовый сигнал «единица» (соответствует ночному времени суток), то сравнение значений температур воздуха, поступающих на 1-й и 3-й входы блока (9) производится и соотносится с допустимым отклонением значения «ультразвуковой» температуры Т от температуры Т, полученной контактным датчиком (величина этого допустимого отклонения определяется на заводе-изготовителе при калибровке прибора и заносится в электронную память блока сравнения температуры (9)). Далее, если разность значений «ультразвуковой» температуры, поступающей с блока усреднения (6), и температуры воздуха, поступающей от контактного датчика (7), отличается на величину, превышающую установленное допустимое отклонение, то на 2-й вход блока индикации (10) с блока сравнения (9) поступает команда, включающая на информационном табло блока индикации (10) транспарант «требуется поверка», если же разность значений «ультразвуковой» температуры, поступающей с блока усреднения (6), и температуры воздуха, поступающей от контактного датчика (7), отличается на величину, не превышающую установленное допустимое отклонение, то на 2-й вход блока индикации (10) с блока сравнения (9) поступает команда, включающая на информационном табло блока индикации (10) транспарант «нормальное функционирование». В соответствии с этой информацией пользователь делает заключение о необходимости выполнения поверки анемометра, либо о возможности продолжения его эксплуатации.
i
i
i1,2
i
i1,2
уз
д
Работа устройства основана на том, что ультразвуковой метод измерений, реализуемый в схеме 3D-анемометра, позволяет, на основе измерения времени пролета ультразвуковых импульсов между источниками и приемниками звука, одновременно вычислять скорость ветра и температуру воздуха (так называемую, «ультразвуковую» температуру воздуха), причем и скорость ветра, и «ультразвуковая» температура воздуха определяются посредством решения одной и той же системы уравнений 2) с использованием одних и тех же параметров - расстояния между попарно согласованными излучателями и приемниками акустических импульсов ветра (L) и времени пролета акустических импульсов расстояния L (t). Из этого следует, что если в какой-то период работы устройства скорость ветра начала определяться с какой-либо ошибкой (вызванной деформацией конструкции 3D-анемометра и произвольным изменением расстояний L, либо нарушением работы электронных блоков 1, 2, 3, 4, 10 устройства и возникающими в этой связи ошибками в измерении параметра t), то и «ультразвуковая» температура воздуха также будет определена устройством с соответствующей ошибкой, и наоборот: если скорость ветра измеряется устройством адекватно, то и измерение ультразвуковой температуры будет соответствовать действительности. Таким образом, способность ультразвукового 3D-анемометра определять температуру воздуха может служить индикатором адекватности работы канала измерения скорости ветра. Для этого достаточно обеспечить возможность периодического сравнения значений «ультразвуковой» температуры воздуха с температурой, измеренной с помощью дополнительного постороннего датчика. При этом необходимо учитывать, что особенностью акустического метода измерения температуры воздуха является полное отсутствие влияния радиационного нагрева корпуса датчика солнечным излучением на результаты измерения, в то время как у контактного датчика температуры воздуха радиационный нагрев может привести к существенным погрешностям измерения температуры. Таким образом, для того, чтобы использовать сравнение результатов измерения температуры воздуха двумя разными способами в качестве индикатора адекватности работы измерителя скорости ветра, необходимо обеспечить условия, исключающие влияние сторонних факторов на показания контактного датчика температуры воздуха, а именно, устранить влияние на него солнечной радиации. Наиболее просто выполнить это условие можно путем совершения указанных сравнительных измерений температуры в период отсутствия солнечного излучения, например, в ночное время суток. При этом отсутствует необходимость выведения 3D-анемометра из процесса эксплуатации и помещения его в «камеру нулевого ветра». Сигнализатором наступления темного времени суток в описанном устройстве служит датчик солнечного сияния (8), который подает на управляющий вход блока сравнения (9) команду о выполнении сравнения значений температуры воздуха, полученных, с одной стороны, из блоков (5) и (6) (усредненная надлежащим образом «ультразвуковая» температура воздуха) и, с другой стороны - из блока (7) (температура воздуха, определенная контактным датчиком). Блок индикации (10) позволяет, помимо индикации значения измеренной анемометром скорости ветра, выдать пользователю информацию о соответствии разности значений «ультразвуковой» температуры Т и «истинной» температуры Т паспортным данным прибора (транспарант «нормальное функционирование»), либо о критическом расхождении этих величин (транспарант «требуется поверка»). В соответствии с этими данными принимается решение о продолжении эксплуатации ультразвукового анемометра, либо о необходимости выполнения его поверки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихомиров А.А. Ультразвуковые анемометры и термометры для измерения пульсаций скорости и температуры воздушных потоков: обзор // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23, №7. - С. 585-600.
2. Региональный мониторинг атмосферы: кол. монография / под общ. ред. М.В. Кабанова. - Томск: Спектр, 1997. - Ч. 2: Новые приборы и методики измерений. - 295 с
3. Пат. №2319987 Российская Федерация, МПК G01W/02. Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений / А.А. Азбукин, А.Я. Богушевич, В.С. Ильичевский, В.А. Корольков, В.Д. Шелевой; заявитель и патентообладатель Институт мониторинга климатических и экологических систем; Сибаналитприбор. - №2006119583/28; заявл. 05.06.2006; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8.
4. Корольков, В.А. Бортовой метеорологический комплекс на базе многоцелевых гусеничных и колесных машин / А.А. Азбукин, А.Я. Богушевич, В.А. Корольков, А.А. Тихомиров, В.Д. Шелевой // Вестник академии военных наук. - 2008. - №3 (24). - С. 144-148.
5. Пат. №2699939 Российская Федерация, МПК G01W 1/02. Ультразвуковой анемометр / В.А. Корольков; заявитель и патентообладатель Институт мониторинга климатических и экологических систем; заявка №2019101136; заявл. 14.01.2019; опубл. 11.09.2019.