АНЕМОМЕТР И ЕГО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК

АНЕМОМЕТР И ЕГО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при создании измерительных приборов, предназначенных для определения скорости воздушного потока при метеорологических измерениях на суше, на море, при измерениях в шахтах и рудниках всех категорий, а также в системах промышленной вентиляции.
Из существующего уровня техники известно множество анемометров, предназначенных для измерения скорости воздушного потока.
По первому объекту полезной модели в качестве одного из аналогов может быть выбран, например, крыльчатый анемометр, в котором ось крыльчатки выполнена трубчатой с запрессованным внутри червяком и с монтирована на часовых камнях (см. СССР, А.С. N 146553, МПК G 01 Р 5/06, 1961 г.). Анемометр имеет крыльчатку большого диаметра, скорость вращения которой механически передается на преобразователь значений числа ее оборотов.
Достижению требуемого технического результата в данном анемометре препятствует невозможность обеспечения потребной точности измерений из-за механической передачи от вращающейся крыльчатки к преобразователю значений числа ее оборотов в реальную скорость воздушного потока.
Известен также анемометр, имеющий вращающуюся крыльчатку, установленную на опорах, соединенных с корпусом, в котором эта крыльчатка размещена. Показания, скорость вращения крыльчатки от набегающего измеряемого воздушного потока, снимаются оптически (см. ФРГ, патент N 38 12 554 С2, МПК G 01 Р 5/06, 1988 г.).
МПК  6 01 Р 5/06 G 01 Р 5/07
Достижению требуемого технического результата в данном анемометре препятствует достаточно высокий нижний предел диапазона измеряемых скоростей воздушного потока.
Наиболее близким техническим решением, наиболее близким аналогом, является анемометр, содержащий корпус с индикатором показаний, первичный преобразователь, установленный на вертикальной штанге, размещенной с торца корпуса анемометра, и связанный посредством вертикальной штанги с измерительным блоком, размещенным внутри корпуса анемометра (см. ФРГ, патент N 28 24 771 С2, МПК G 01 Р 5/06, 1978 г.).
Получению требуемого технического результата в прототипе препятствует примитивная конструкция первичного преобразователя, слабая защищенность прибора от повреждений первичного преобразователя в сложенном его положении, слабая чувствительность первичного преобразователя и, как следствие, низкая точность измерений, низкая надежность и невозможность измерений средне скорости воздушного потока за определенный промежуток времени.
По второму объекту полезной модели в качестве прототипа может быть выбран, например, измерительный блок ручного электроуправляемого крыльчатого анемометра (заявка Великобритании No 2127972, кл.001Р 5/07, опубл.1984), содержащий источник питания (батарею элементов питания), блок формирования входного сигнала, блок задания управляющих сигналов (переключатель), тактовый генератор, цифровой счетчик и цифровой индикатор.
Получению требуемого технического результата в известном измерительном блоке препятствуют ограничения, касающиеся возможности индикации только среднего значения измеренной скорости воздушного (газового) потока, то есть узкие функциональные возможности, а также недостаточная точность, связанная с возможностью получения ложных показаний при снижении напряжения источника питания ниже установленной нормы вследствие его разрядки в процессе эксплуатации и хранения. Блок также мало приспособлен к возможности ремонта анемометра, так как при замене крыльчатки
- 2 необходимо изменять параметры элементов электрической схемы блока, что реально означает замену самих элементов.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является создание измерительного прибора, позволяющего производить измерения скорости воздушного потока с получением средних ее значений за любой интервал времени (в пределах возможностей шкалы индикатора показаний).
К техническим результатам, получаемым от реализации первого объекта данной полезной модели можно отнести повышение точности измерений, улучшение эксплуатационных характеристик, повышение эффективности измерений (за счет того, что за один и тот же промежуток времени один оператор производит большее количество измерений), увеличение срока службы, повышение надежности прибора, степени его взрывозащиты, расширение диапазона измеряемых величин и обеспечение универсальности за счет возможности замены первичного преобразователя.
К техническим результатам, получаемым от реализации второго объекта данной полезной модели можно отнести расширение функциональных возможностей блока за счет определения и индикации кроме измеренной средней скорости воздушного (газового) потока дополнительных п аметров (контроль введенного градуировочного кода в период эксплуатации; контроль состояния вращения крыльчатки; определение длительности интервала измерения и индикацию его текущих значений и суммщ)ной длительности; формирование и индикацию сообщения о результате измерения, превышающем верхний предел измерения анемометра; автоматический выбор цены деления младшего разряда в диапазоне измерения; стирание старого и ввод нового градуировочного кода; определение разряженного состояния источника питания; автоматический останов измерения при реализации предельной длительности интервала измерения, автоматическое вычисление результата измерения).
- 3 ре, содержащем корпус с индикатором показаний, первичный преобразователь, установленный на штанге, размещенной с торца корпуса анемометра, и связанный посредством штанги с измерительным блоком, размещенным внутри корпуса анемометра, согласно полезной модели, штанга выполнена выдвижной, первичный преобразователь установлен на выдвижной штанге с возможностью его замены, в торцевой части корпуса анемометра по месту размещения выдвижной штанги выполнено углубление в виде ниши под первичный преобразователь в убранном положении выдвижной штанги, измерительный блок анемометра выполнен электронным, первичный преобразователь выполнен в виде корпуса с отверстием под крыльчатку, установленную, в свою очередь, на оси, взаимодействующей своими концами с обеих сторон с опорами крепления, соединенными с корпусом первичного преобразователя, первичный преобразователь снабжен катушкой индуктивности, размещенной в его корпусе, и соединенной через выдвижную штангу с измерительным блоком внутри корпуса анемометра, при этом анемометр имеет органы управления , размещенные на лицевой панели корпуса, а также вывод контрольной течки для проверки сигнала первичного преобразователя, причем нижняя часть корпуса анемометра выполнена суженой в виде рукоятки под руку оператора, а на нижнем торце рукоятки выполнено гнездо под источник питания анемометра, закрытое крышкой.
Выдвижная штанга анемометра может быть выполнена с направляющей по ее продольной оси, препятствующей вращению выдвижной штанги относительно этой оси.
Анемометр может быть снабжен по крайней мере одним дополнительным удлинителем выдвижной штанги с унифицированными разъемами по обоим его концам, устанавливаемым между выдвижной штангой и первичным преобразователем и взаимодействующим с ними посредством унифицированных разъемов.
- 4 могут быть выполнены полыми из тонкостенных труб.
Первичный преобразователь может быть связан с выдвижной штангой посредством унифицированного разъема.
В анемометре первичный преобразователь к выдвижной штанге, а так же к удлинителю выдвижной штанги и удлинитель выдвижной штанги к самой выдвижной штанге могут крепиться посредством накидных гаек.
Корпус первичного преобразователя анемометра может быть выполнен в форме параллелепипеда со срезанными углами.
Органы управления анемометра могут быть выполнены, например, в виде кнопок.
Крыльчатка первичного преобразователя может быть выполнена металлической и шестилопастной.
Ось крыльчатки первичного преобразователя может быть смонтирована в опорах крепления на винтах-подпятниках с камневыми опорами.
Измерительный блок, анемометра, может быть выполнен состоящим из блока формирования входного сигнала, блока микроконтроллера и блока контроля напряжения источника питания.
Блок формирования входного сигнала анемометра может быть выполнен состоящим из автогенератора, колебательный контур которого имеет катущку индуктивности, размещенную в первичном преобразователе, амплитудный детектор и цепь стабилизации режима работы автогенератора и компенсации временного дрейфа добротности колебательного контура.
Поставленная задача решается, а технический результат по второму объекту полезной модели достигается тем, что в измерительный блок анемометра, содержащий источник питания, блок формирования входного сигнала, блок задания управляющих сигналов, соединенный входом с источником питания, тактовый генератор и индикатор, согласно полезной модели, введены блок контроля напряжения источника, вход которого соединен с выходом источника питания, и микропроцессор, входы которого соединены с выходами
- 5 блока формирования входного сигнала, блока задания управляющих сигналов, блока контроля напряжения источника питания и тактового генератора, а выходы соединены со входами индикатора.
Кроме того, блок формирования входного сигнала содержит последовательно соединенные автогенератор и амплитудный детектор.
Полезная модель поясняется чертежами, где.
На Фиг. 1 изображен общий вид анемометра;
На Фиг. 2 - дополнительный удлинитель выдвижной штанги;
На Фиг. 3 - анемометр в убранном положении выдвижной штанги.
На Фиг. 4 - изображена функциональная схема измерительного блока анемометра.
Анемометр содержит корпус 1 с индикатором показаний 2. Первичный преобразователь 3 установлен на штанге 4. Штанга 4 выполнена выдвижной и размещена с торца корпуса 1 анемометра. Первичный преобразователь 3 связан посредством выдвижной штанги 4 с измерительным блоком, размещенным внутри корпуса 1 анемометра. Первичный преобразователь 3 установлен на выдвижной штанге 4 с возмоашостью его замены. В торцевой части корпуса 1 анемометра по месту размещения выдвижной штанги 4 выполнено углубление в виде ниши 5 под первичный преобразователь 3 в убранном положении выдвижной штанги 4. Измерительный блок анемометра выполнен электронным. Первичный преобразователь 3 может быть связан с выдвижной штангой 4, например, посредством унифицированного разъема 6 и выполнен в виде корпуса с отверстием под крыльчатку 7. Крыльчатка 7 установлена на оси (не показано), взаимодействующей своими концами с обеих сторон с опорами крепления 8, соединенными с корпусом первичного преобразователя 3. Ось крыльчатки 7 может быть смонтирована в этих опорах, например, на винтах-подпятниках с камниевыми опорами (не показаны). Первичный преобразователь 3 снабжен катушкой индуктивности, размещенной в его корпусе, и соединенной через выдвижную штангу 4 с измери- б тельным 6Л01ЮМ внутри корпуса 1 анемометра. Анемометр имеет органы управления, выполненные, например, в виде кнопок 9 и 10, размещенных на лицевой панели корпуса 1, а также вывод 11 контрольной точки для проверки сигнала первичного преобразователя. Корпус 1 анемометра может быть выполнен в форме, близкой к призматической со скругленными ребрами и срезанными углами. Нижняя часть корпуса анемометра выполнена суженой в виде рукоятки 12 под руку оператора. На нижнем торце рукоятки 12 выполнено гнездо 13 под источник питания анемометра. Гнездо 13 закрыто крьппкой (не показана).
Выдвижная штанга 4 может быть выполнена с направляющей (не показана) по ее продольной оси, препятствующей вращению выдвижной штанги 4 относительно этой оси.
Анемометр может иметь, по крайней мере, один дополнительный удлинитель 14 выдвижной штанги 4 с унифицированными разъемами 6 по обоим его концам, устанавливаемым между выдвижной штангой 4 и первичным преобразователем 3.
Выдвижная штанга 4 и удлинитель 14 выдвижной штанги 4 могут быть выполнены полыми из тонкостенных труб.
Первичный преобразователь 3 к выдвижной штанге 4, а так же к удлинителю 14 выдвижной штанги 4 и удлинитель 14 выдвижной штанги 4 к самой ввдвижной штанге 4 крепятся, например, посредством накидных гаек 15.
Корпус первичного преобразователя 3 может быть выполнен в форме педаллелепипеда со срезанными углами.
Крыльчатка 7 первичного преобразователя 3 может быть выполнена металлической и шестилопастной.
Измерительный блок может быть выполнен состоящим из блока формирования входного сигнала, блока микроконтроллера и блока контроля напряжения источника питания.
- 7 амплитудный детектор и цепь стабилизации режима работы автогенератора и компенсации временного дрейфа добротности колебательного контура.
Измерительный блок анемометра, как второй объект полезной модели, содержит источник питания 16, блок 17 контроля напряжения источника питания 16, блок 18 формирования входного сигнала, блок 19 задания управляющих сигналов, тактовый генератор 20, микроконтроллер 21 и индикатор показаний 2.
Блок 18 формирования входного сигнала содержит последовательно соединенные автогенератор 22 колебаний и амплитудный детектор 23. Колебательный контур автогенератора 22 включает в себя катушку индуктивности 24, физически расположенную в корпусе 1 первичного преобразователя 3 анемометра.
Анемометр, как первый объект полезной модели, функционирует следующим образом.
Анемометр включается нажатием одной из кнопок управления, например, 9. Кнопка 10 служит для введения в измерительный блок анемометра индивидуального градуировочного кода (к предмету полезной модели не относится) первичного преобразователя 3, автоматически используемого при вычислении результатов измерения средней скорости воздушного потока, и для задания интервала времени измерения.
После выдвижения выдвижной штанги 4 из корпуса 1 анемометра и, соответственно, установленного на ней первичного преобразователя 3 из ниши 5, а при необходимости, и после установки удлинителя 14 выдвижной штанги 4 между последней и первичным преобразователем 3, первичный преобразователь 3 вносят в контролируемый воздушный поток.
Под действием воздушного потока крыльчатка 7 начинает вращаться на своей оси в опорах 8. Работа анемометра основана на тахометрическом принципе преобразования скорости воздушного потока в частоту электрического сигнала. Угловая скорость вращения крыльчатки 7 линейно зависит от скорости набегающего воздушного
- 8 потока. Лопасти вращающейся крыльчатки 7 пересекают магнитное поле катушки индуктивности 24, размещенной в корпусе первичного преобразователя 3 и подключенной к источнику питания 16, и вносят в ее электромагнитное поле активные помехи. Это используется для формирования последовательности импульсов напряжения, частота следования которых также линейно связана со скоростью воздушного потока.
Полученный таким образом электромагнитный сигнал от катушки индуктивности 24 через унифицированный разъем 6, через выдвижную штангу 4 (а при наличии удлинителя 14 выдвижной штанги 4, и через него) поступает в измерительный блок в корпусе 1 анемометра, где обрабатывается, а результаты измерения отражаются на индикаторе показаний 2, При этом, для окончания замера нажимают кнопку 10. На индикаторе показаний 2 при этом индуцируется длительность интервала измерения в секундах. Отпустив кнопку 10, на индикаторе показаний 2 получим результат измерения средней скорости воздушного потока за установленный оператором интервал времени измерений. Начало и окончание каадого измерения задаются оператором кратковременным нажатием на кнопку управления 10.
Измерительный блок, как второй объект полезной модели, функционирует следующим образом.
При вращении крыльчатки 7 каждая ее лопасть поочередно проходит через высокочастотное магнитное поле катушки индуктивности 24 и вносит в контур потери, вследствие чего в этот момент происходит снижение амплитуды генерируемых колебаний. Промодулированные таким образом высокочастотные колебания автогенератора 22 детектируются амплитудным детектором 23, на выходе которого образуется последовательность импульсов напряжения с частотой следования, пропорциональной угловой скорости вращения крыльчатки 7.
- 9 импульсов тактового генератора 20, являющуюся числовым выражением длительности измерительного интервала.
Блок 18 формирования входного сигнала может также содержать схему стабилизации, которая автоматически стабилизирует режим работы автогенератора 22 при замене первичного преобразователя 3 и компенсирует временной дрейф добротности колебательного контура.
Микроконтроллер 21 анализирует поступающие на него сигналы от блоков 17, 18, 19 контроля напряжения источника питания 16, формирования входного сигнала и задания управляющих сигналов, и вырабатьшает сигналы для управления индикатором 7.
Микроконтроллер 21 выполняет следующие операции:
ввод и хранение градуировочного кода;
контроль введенного градуировочного кода в период эксплуатации;
контроль состояния вращения крыльчатки 7;
определение длительности интервала измерения и индикацию его текущих значений и суммарной длительности;
вычисление средней за интервал измерения скорости воздушного потока с учетом градуировочного кода;
формирование сообщения о результате измерения, превышающем верхний предел измерения анемометра;
автоматический выбор цены деления младшего разряда в диапазоне измерения;
стирание старого и ввод нового градуировочного кода;
определение разряженного состояния источника питания 16;
автоматический останов измерения при реализации предельной длительности интервала измерения, автоматическое вычисление результата измерения.
Блок 17 контроля напряжения источника питания 16 вырабатывает сигнал о снижении напряжения источника питания 16 ниже установленной нормы вследствие его разрядки в процессе эксплуатации или хранения.
- 10 в качестве блока 19 задания управляющих сигналов используется набор ключевых элементов ( например, кнопок). В частном случае это две кнопки 9 и 10,
Если измерительный блок включен (нажата кнопка 9) и на индикаторе 2 индицируется надпись U 1, то после кратковременного нажатия кнопки 10 в момент ее отпускания начинается процесс измерения скорости воздушного потока и включается секундомер (схемно отдельно не исполняемый, функции которого выполняет микроконтроллер 21) с индикацией текущих значений интервала измерения. При повторном нажатии на кнопку 10, как это было указано выше, индуцируется полная длительность времени измерения, а при ее отпускании - результат измерения средней скорости воздушного потока.
Необходимо отметить, что, поскольку анемометр снабжен заменяемым первичным преобразователем 3, то для каждого экземпляра первичного преобразователя 3 устанавливается его индивидуальная градуировочная характеристика. Коэффициенты этой характеристики кодируются 2-х разрядным кодом. Символами кода в каждом разряде являются десять цифр от О до 9 и шесть букв латинского алфавита А, Ь, С, d, Е, F. Индивидуальный градуировочный код первичного преобразователя 3 вводится в измерительный блок, а затем автоматически используется при вычислении результатов измерения скорости воздушного потока.
Вьшолнение первичного преобразователя 3 установленным на выдвижной штанге 4 с возможностью его замены и закрепленным на ней накидной гайкой 15 позволяет, в случае выхода первичного преобразователя 3 из строя, производить его замену на месте без замены самого анемометра, его измерительного блока.
Следует отметить, что заявленным анемометром производится измерения скорости потока, как в конкретной точке, так и средней скорости воздушного потока по плошади измерения (например, выработки в шахте) за установленный оператором интервал времени измерения .
- 11 Анемометр при проведении измерений удерживается оператором за рукоятку 12. При истощении источника питания, размещенного в гнезде 13, он может быть легко заменен после снятия крьшки (не показана) гнезда 13.
Анемометр, его электронный измерительный блок и защитный корпус, выполнены в исполнении IP54 с уровнем защиты РО Иа, что по европейским нормам EN 50014/50020 соответствует уровню самозащиты Ех 1а ITI. Это означает, что уровень взрывозащиты анемометра (предотвращение выхода искры, разряда за пределы его корпуса) позволяет использовать прибор во взрывоопасной атмосфере при 100% влажности.
Измерительный блок анемометра, размещенный в корпусе 1, может использоваться без доработок и изменений в комплекте с другими первичными преобразователями для измерения иных метеорологических пщ)аметров: влажности, температуры, давления.
Заявленный анемометр изготовлен из традиционных конструкционных материалов с использованием станд тного электронного оборудования и может быть изготовлен в условиях обычного промышленного производства.
- 12 -13