Датчик ветра, давления и температуры
WIND, PRESSURE AND TEMPERATURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения давления и температуры воздуха, и может быть использовано на подвижных и стационарных объектах для преобразования скорости ветра, атмосферного давления и температуры воздуха в электрические сигналы.
Известна автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра, описанная в патенте РФ №2210096, МПК7: G01W 1/00, опубл. в 2003 году, которая состоит из измерительной части, включающей в себя измерители скорости, давления и направления с электрическими датчиками, и вычислительной части, включающей в себя два множительных и одно делительное устройство для вычисления мощности ветрового потока. Но данная система из-за своих значительных габаритов может использоваться только стационарно.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является датчик ветра и давления описанный патенте РФ №2270466, МПК G01W 1/00, опубликованном 20.02.2006 г. Датчик ветра и давления содержит блок чувствительных элементов, электромагнит, блок управления электромагнитом, обтекатель, корпус которого выполнен с двумя парами входных отверстий, оси которых расположены в двух вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии датчика ветра и давления, причем каждая пара входных отверстий расположена перпендикулярно друг другу. Каждое из отверстий соединено соответствующим входным каналом с блоком чувствительных элементов. Кроме того, датчик ветра и давления снабжен датчиком атмосферного давления и каналом статического давления. Четыре датчика перепада давления, конструктивно объединены в блок чувствительных элементов. Датчики перепада давления, разработанные и изготавливаемые предприятием «Аэроприбор-Восход», представляют собой выполненные в виде законченных изделий мембранно-индуктивные чувствительные элементы, в которых изменение прогиба мембран под действием перепада давлений преобразовывается в выходные напряжения постоянного тока. Каждое из отверстий первой и второй пары через соответствующие входные каналы корпуса соединено с первым входом соответствующего датчика перепада давления, а вторые входы датчиков перепада давления и датчик атмосферного давления соединены с каналом статического давления, при этом в нижней части корпуса выполнен ряд отверстий, расположенных вплотную к образующей цилиндра в узкой части обтекателя, соединенных с каналом статического давления и предназначенных для забора усредненного значения статического давления. Однако известный датчик ветра и давления не позволяет измерять температуру воздуха и настраивать и калибровать параметры элементов чувствительных, датчика атмосферного давления, а также не имеет возможности настройки и калибровки измеряемых параметров атмосферы относительно изменения температуры, что сказывается на точности измерений, и не имеет возможности передачи данных через цифровой интерфейс.
Задачей изобретения является создание датчика ветра, давления и температуры с расширенными функциональными возможностями.
Технический результат: увеличение числа и рабочего диапазона измеряемых параметров воздуха, повышение точности измерений, унификация применения.
Это достигается тем, что в датчик ветра, давления и температуры, содержащий блок чувствительных элементов, обтекатель, корпус которого выполнен с двумя парами входных отверстий, образующих входные каналы, оси которых расположены в двух вертикальных плоскостях, проходящих через ось симметрии датчика ветра, давления и температуры, причем каждая пара входных отверстий расположена перпендикулярно друг другу, четыре датчика перепада давления, конструктивно объединенные в блок чувствительных элементов, каждое из входных отверстий через соответствующие входные каналы корпуса соединено с первым входом соответствующего датчика перепада давления, а вторые входы датчиков перепада давления и вход датчика атмосферного давления соединены с каналом статического давления, для которого в нижней части корпуса выполнен ряд отверстий, расположенных вплотную к образующей цилиндра в узкой части обтекателя, образующих канал статического давления, предназначенный для забора усредненного значения статического давления, электромагнит управляющий работой входных каналов и канала статического давления с помощью блока управления электромагнитом, в отличие от известного введен датчик температуры воздуха, конструктивно выполненный в виде блока датчика температуры, который расположен между обтекателем и датчиками перепада давления, находящийся в открытой, имеющей непосредственный контакт с воздухом, части блока чувствительных элементов, при этом, через блок датчика температуры герметично проведены входные каналы ветра-для передачи давления от входных отверстий обтекателя до первых входов датчиков перепада давления и канал статического давления для передачи давления до вторых входов датчиков перепада давления и датчика атмосферного давления, кроме того, введен блок комбинированный, с программно-аппаратным комплексом для настройки и калибровки параметров датчиков перепада давления, датчика атмосферного давления и датчика температуры воздуха, для чего выходы этих датчиков соединены с соответствующими входами блока комбинированного для настройки и калибровки измеряемых параметров атмосферы относительно изменения температуры с реализацией передачи данных с выхода комбинированного блока через цифровой и аналоговый интерфейс, кроме того, один из выходов блока комбинированного соединен с блоком управления электромагнитом.
Кроме того, датчики перепада давления могут быть выполнены в виде мембранно-емкостных преобразователей, преобразующих изменение прогиба мембран под действием перепада давлений в выходные напряжения постоянного тока, а датчик температуры может быть выполнен в виде микросхемы, установленной в металлическом колпачке с солнцезащитным покрытием, который установлен в корпус блока датчика температуры.
На чертеже изображена функциональная схема датчика ветра, давления и температуры. Датчик ветра, давления и температуры (чертеж) состоит из обтекателя 1, блока 2 чувствительных элементов, конструктивно объединяющего датчики перепада давления 3 выполненые в виде мембранно-емкостных преобразователей, преобразующих изменение прогиба мембран под действием перепада давлений в выходные напряжения постоянного тока, электромагнита 4, блока 5 управления электромагнитом, датчика 6 атмосферного давления. Корпус обтекателя 1 имеет две пары входных отверстий 7, которые через систему входных каналов 8 ветра в корпусе обтекателя 1 соединены каждое с первым входом соответствующего датчика перепада давления 3. В нижней части корпуса обтекателя 1 выполнен ряд отверстий 9, например двенадцать, расположенных вплотную к образующей цилиндра в узкой части обтекателя 1 образующие каналы статического давления. Все эти каналы статического давления объединены в один канал 10 статического давления, который далее образует четыре канала статического давления для вторых входов датчиков перепада давления 3 и один для входа датчика 6 атмосферного давления. В нижней части датчика ветра, давления и температуры расположен блок комбинированный 11. Входные каналы 8 ветра и каналы 10 статического давления снабжены верхними клапанами 12 и нижними клапанами 13, с которыми через блок 5 управления электромагнитом взаимодействует электромагнит 4. Кроме того, дополнительно введен датчик 14 температуры воздуха, расположенный в блоке 15 датчика температуры находящимся в открытой, имеющей непосредственный контакт с воздухом, части блока 2 чувствительных элементов между обтекателем 1 и датчиками 3 перепада давления и выполнен в виде микросхемы, установленной в металлическом колпачке с солнцезащитным покрытием, который установлен в корпус блока 15 датчика температуры, при этом, через блок 15 датчика температуры герметично проведены входные каналы 8 ветра для передачи давления от входных отверстий обтекателя 1 до первых входов датчиков перепада давления 3 и каналы 10 статического давления для передачи давления до вторых входов датчиков перепада давления 3 и датчика 6 атмосферного давления. Блок комбинированный 11 с программно-аппаратным комплексом служит для настройки и калибровки параметров датчиков перепада давления 3, датчика 6 атмосферного давления и датчика 14 температуры воздуха. Поэтому выходы этих датчиков соединены с соответствующими входами блока комбинированного 11, для настройки и калибровки измеряемых параметров атмосферы относительно изменения температуры с реализацией передачи данных через цифровой и аналоговый интерфейсы. Кроме того, один из выходов блока комбинированного 11 соединен с блоком 5 управления электромагнитом 4.
Устройство работает следующим образом:
При обдуве датчика ветра, давления и температуры во входных отверстиях 7 обтекателя 1 создаются разности давления относительно канала статического давления 10. Преобразование давления, создающегося при обдуве, осуществляется по трехвходовой схеме, т.е. измеряется разность давлений между каждым из четырех входных отверстий 7 обтекателя 1 и каналом статического давления 10, соединенного с окружающей средой рядом отверстий 9 в нижней части корпуса, предназначенных для забора усредненного значения статического давления. При отключенном электромагните 4 верхние клапаны 12 закрыты, и давление во входных каналах 8 ветра каждого из датчиков перепада давления 3 уравновешено. При срабатывании электромагнита 4 верхние клапаны 12 открываются, и давление от четырех входных каналов 8 ветра и каналов 10 статического давления передаются на датчики перепада давления 3 и датчик 6 атмосферного давления. Одновременно нижние клапаны 13 закрываются, прерывая воздушное сообщение между первыми входами датчиков перепада давления 3. Открытие и закрытие клапанов 12, 13 осуществляется электромагнитом 4, которым управляет блок 5 управления электромагнитом, который, в свою очередь, управляется блоком комбинированным 11 по сигналу, передаваемому по цифровому интерфейсу связи. Электрические сигналы от датчиков перепада давления 3, от датчика 6 атмосферного давления и от датчика 14 температуры воздуха поступают на блок комбинированный 11, который обрабатывает и передает их через аналоговый и цифровой интерфейсы связи.
Преимущества предложенного технического решения по сравнению с ближайшим аналогом состоят в следующем:
- датчик ветра, давления и температуры позволяет определять температуру воздуха, благодаря встроенному датчику температуры;
- снижена погрешность преобразования электрического сигнала скорости ветра, атмосферного давления и температуры воздуха благодаря использованию датчика температуры и блока комбинированного;
- датчик ветра, давления и температуры позволяет настраивать и калибровать выходные параметры датчиков перепада давления, датчика атмосферного давления и датчика температуры;
- датчик ветра, давления и температуры позволяет встраиваться в сложные цифровые системы благодаря введению блока комбинированного, который формирует цифровой интерфейс, с сохранением аналоговых выходов.
- датчики перепада давления, выполненные в виде мембранно-емкостных преобразователей, преобразующих изменение прогиба мембран под действием перепада давлений в выходные напряжения постоянного тока, позволяют измерять перепады давлений в широком диапазоне температур и имеют высокую чувствительность к входным перепадам давлений.
Таким образом, достигнут технический результат, а именно увеличено число и рабочий диапазон измеряемых параметров воздуха, повышена точность измерений и унификация применения.