Ультразвуковой измеритель скоростей потока

Ультразвуковой измеритель скоростей потока относится к области приборостроения, а именно к технике измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра, и может быть использован в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
Известны устройства для измерения скорости и направления ветра ультразвуковым методом (ультразвуковые анемометры), принцип работы которых основан на измерении времени пролета ультразвуковых импульсов через воздушную среду между акустическими излучателями и приемниками. Так, например, ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока [авторское свидетельство РФ на изобретение №1081544, МПК: GO1P 5/00, GO1F 1/66, 1984 г] содержит два обратимых электроакустических преобразователя, образующих измерительную базу, и подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к первому блоку вычитания, синхронизатор и регистратор. К недостаткам этого измерителя можно отнести его ограниченные возможности, т.к. он предназначен только для измерения скорости ветра, а такие параметры, как направление ветра и вертикальная составляющая ветра, измерить невозможно.
Известны устройства для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра (Ультразвуковой трехмерный анемометр. Инструкция по эксплуатации 021507/01/08: материал фирмы / ADOLF THIES GmbH & CO. KG. - с. 1. - [электронный ресурс]. - https://icbcom.ru/wp-content/uploads/2016/01/TC-UA3D.pdf; Измерители параметров ветра ультразвуковые ИПВ-У: описание средства измерений: приложение к свидетельству №38022 об утверждении типа средств измерений / ООО «ДОМО МЕТЕО». - 2015. - л. 1-2.). В этих устройствах для измерения параметров ветра в 3-х координатах используются три пары обратимых электроакустических преобразователей и вычислительные устройства. Пары обратимых электроакустических преобразователей образуют три измерительные базы. Обратимые электроакустические преобразователи крепятся через кронштейны на центральной стойке. Недостатком этих устройств является недостаточная точность измерения, вызванная ветровым затенением измерительных баз центральной стойкой.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой измеритель скоростей потока (патент РФ на полезную модель №77975, МКИ G01P 5/01). Ультразвуковой измеритель скоростей потока содержит три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает по два обратимых электроакустических преобразователя. Обратимые электроакустические преобразователи через кронштейны закреплены на центральной стойке. Выходы обратимых электроакустических преобразователей подключены через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов. Ультразвуковой измеритель скоростей потока содержит так же преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания. Выходы блоков вычитания связаны с вычислительным устройством. Электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные на одинаковом расстоянии под углом 120° относительно друг друга и под углом, находящимся в интервале от 30 до 60 в вертикальной плоскости.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения, вызванная ветровым затенением измерительных баз центральной стойкой.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерения путем устранения ветрового затенения измерительных баз центральной стойкой.
Поставленная задача решается тем, что в ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержащий закрепленные на центральной стойке три пары обратимых электроакустических преобразователей, подключенных к информационным входам/выходам устройства коммутации, информационный выход которого подключен к информационному входу микроконтроллера, причем измерительные базы расположены относительно горизонтальной плоскости под углом 30-60 градусов дуги, введена четвертая пара обратимых электроакустических преобразователей, подключенных к информационным входам/выходам устройства коммутации, а выходы управления микроконтроллера через шину управления подключены к входам управления устройства коммутации, причем относительно друг друга измерительные базы расположены по углом 90 градусов дуги, относительно центральной стойки они расположены под углом 0 градусов дуги, а измерительная база четвертой пары обратимых электроакустических преобразователей относительно горизонтальной плоскости расположена также под углом, находящимся в интервале от 30 до 60 градусов дуги.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.
На фиг. 1 изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока.
На фиг. 2 показано взаимное расположение электроакустических преобразователей в вертикальной плоскости - вид спереди (условно не показаны электроакустические преобразователи 3, 4).
На фиг. 3 показано взаимное расположение электроакустических преобразователей в вертикальной плоскости - вид с боку (условно не показаны электроакустические преобразователи 5, 6).
На фиг. 4 представлено взаимное расположение электроакустических преобразователей в горизонтальной плоскости - вид сверху.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока содержит четыре идентичных пары обратимых электроакустических преобразователей 1-8, которые образуют измерительные базы А, В, С, Е; устройство коммутации 9, к информационным входам/выходам, которого подключены обратимые электроакустические преобразователи 1-8; микроконтроллер 10, информационной вход которого соединен с информационным выходом устройства коммутации 9; шину управления 11, соединяющую выходы управления микроконтроллера 10 с входами управления устройства коммутации 9; четыре идентичных кронштейна 12, на которых установлены обратимые электроакустические преобразователи 2, 4, 6, 8; четыре идентичных кронштейна 13, на которых установлены обратимые электроакустические преобразователи 1,3, 5, 7; и центральную стойку 14, к которой прикреплены кронштейны 12, 13. Обратимые электроакустические преобразователи 1 и 2 образуют измерительную базу А длиной Lba. Обратимые электроакустические преобразователи 3 и 4 образуют измерительную базу В длиной Lbb. Обратимые электроакустические преобразователи 5 и 6 образуют измерительную базу С длиной Lbc. Обратимые электроакустические преобразователи 7 и 8 образуют измерительную базу Е длиной Lbe. Относительно друг друга измерительные базы расположены по углом 90 градусов дуги. Относительно центральной стойки измерительные базы расположены под углом 0 градусов дуги. Относительно горизонтальной плоскости измерительные базы А, В, С и Е расположены под углом α, находящимся в интервале от 30 до 60 градусов дуги.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.
Устройство управляется микроконтроллером 10, который циклически решает две задачи:
1. Определение скоростей потока вдоль всех измерительных баз А, В, С и Е: Va, Vb, Vc и Ve;
2. Вычисление по полученным значениям Va, Vb, Vc и Ve горизонтальной скорости потока V, направления потока D и вертикальной скорости потока W с последующей выдачей вычисленных значений в хост-устройство.
а+
b+
с+
e+
а-
b-
с-
е-
Первая задача решается путем измерения времени движения ультразвуковой волны между обратимыми электроакустическими преобразователями (ОЭП) 1-2, 3-4, 5-6 и 7-8 каждой измерительной базы как в положительном (от нечетных ОЭП к четным - Т, T, Т и T) так и в отрицательном (от четных ОЭП к нечетным - Т, T, Т и Т) направлении. Для этой цели микроконтроллер 10 использует сигналы шины управления 11, с помощью которых он устанавливает (через устройство коммутации 9):
- номер измерительной базы: А, В, С или Е;
- направление движения волны: положительное/отрицательное;
- момент начала (запуск) движения волны с помощью запускающего импульса.
Само измерение времени движения ультразвуковой волны микроконтроллер 10 осуществляет с помощью встроенного счетчика, который запускается на счет запускающим импульсом, а останавливается сигналом от устройства коммутации 9, который подается на информационный вход микроконтроллера 10. Время определяется умножением содержимого счетчика на период тактовой частоты счетчика.
a+
b+
c+
e+
a-
b-
c-
e-
После измерения всех времен микроконтроллер 10 переходит к вычислению скоростей измерительных баз в положительном направлении V, V, V, V и в отрицательном направлении V, V, V, V по формулам:
где Lba, Lbb, Lbc, Lbe - длины соответствующих измерительных баз (фиг. 2, фиг. 3).
Искомые скорости Va, Vb, Vc и Ve находятся по формулам:
Выполнение второй задачи микроконтроллера 10 сводится к решению системы уравнений (4), (5), (6) и (7) относительно искомых V, D и W. Система составлена с использованием фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, на которых приведены все переменные и параметры системы уравнений (4), (5), (6) и (7). Правые части системы представляют собой проекции V и W на соответствующие измерительные базы, которые входят с положительным знаком, если направление V и W совпадают с положительным направлением соответствующих баз и с отрицательным знаком в противном случае.
Горизонтальная скорость потока V, направление потока D и вертикальная скорость потока W вычисляются по формулам п. 1 в соответствии с алгоритмом обработки измеренных данных Va, Vb, Vc, Ve п. 2. 1 Формулы
1.1 Полная система уравнений
где: V - модуль горизонтальной скорости ветра;
D - направление горизонтальной скорости ветра;
W - значение вертикальной скорости ветра;
k1=1/cos(α); k2=1/sin(α),
где α - угол наклона измерительных осей к горизонтальной плоскости, который находится в пределах от 30° до 60°.
В системе (4), (5), (6) и (7) можно сделать замены:
где: X, Y - проекции модуля горизонтальной скорости ветра на соответствующие координаты (ось X лежит в плоскости измерительных баз А-С, при устройства направляется на север); Y - в плоскости измерительных баз В-Е на их пересечении с горизонтальной плоскостью).
С учетом (8), (9) система (4), (5), (6) и (7) примет следующий вид:
Решение:
Из (10), (11), (12) и (13) следует:
Из(14)следует:
где Z - ось нормальная к горизонтальной плоскости
Из (10) следует:
Из (11) следует:
Из (12) следует:
Из (13) следует:
Из (16), (17) следует:
где:
- atan2 - стандартная функция вычисления арктангенса в различных языках программирования, корректно обрабатывающая ситуации Yb=0, Ха=0 в различных сочетаниях;
- если Dab<0, то к его значению необходимо прибавить 360.
Из (16), (19) следует:
Из (17), (18) следует:
Из (19), (18) следует:
Окончательное значение горизонтальной скорости ветра определяется формулой:
Окончательное значение направления горизонтальной скорости ветра определяется формулой (21):
D=Dab
1.2 Система уравнений без измерительной базы Е
Решение:
Из (10), (12) следует:
Из (26) следует:
Для расчета V и D верны формулы (16), (17), (18), (20), (21) и (23).
Тогда:
1.3 Система уравнений без измерительной базы С
Решение:
Из (11), (13) следует:
Из (30) следует:
Для расчета V и D верны формулы (16), (17), (19), (20), (21) и (22).
Тогда:
1.4 Система уравнений без измерительной базы В
Решение:
Из (10), (12) следует:
Из (34) следует:
Для расчета V и D верны формулы (16), (18), (19), (21), (22) и (24).
Тогда:
1.5 Система уравнений без измерительной базы А
Решение:
Из (11), (13) следует:
Из (38) следует:
Для расчета V и D верны формулы (17), (18), (19), (21), (23), (24).
Тогда:
2 Алгоритм обработки измеренных данных
2.1 По формулам (15), (16), (17), (18) и (19) вычислить значения W, Ха, Yb, Хс, Ye.
2.2 Проверить условие: (Ха>=0) и (Yb>=0).
Если это условие не выполняется, то перейти на п. 2.3.
Если Yb=0, то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.3 и завершить обработку, в противном случае вычислить L=Ха/Yb.
Если L<Lmin (Lmin определяется экспериментально, для начала можно принять Lmin=0,09 - вектор скорости примыкает к измерительной базе В), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.2 и завершить обработку.
В противном случае проверить если L>Lmax (Lmax определяется экспериментально, для начала можно принять Lmax=1 - вектор скорости примыкает к измерительной базе А), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.3 и завершить обработку.
В противном случае вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.1 и завершить обработку.
2.3 Проверить условие: (Yb>=0) и (Хс>=0).
Если это условие не выполняется, то перейти на п. 2.4.
Если Хс=0, то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.2 и завершить обработку, в противном случае вычислить L=Yb/Хс.
Если L<Lmin (вектор скорости примыкает к измерительной базе С), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.5 и завершить обработку.
В противном случае проверить, если L>Lmax (вектор скорости примыкает измерительной базе В), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.2 и завершить обработку.
В противном случае вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.1 и завершить обработку.
2.4 Проверить условие: (Хс>=0) и (Ye>=0).
Если это условие не выполняется, то перейти на п. 2.5.
Если Ye=0, то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.5 и завершить обработку, в противном случае вычислить L=Хс/Ye.
Если L<Lmin (вектор скорости примыкает к измерительной базе Е), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.4 и завершить обработку.
В противном случае проверить, если L>Lmax (вектор скорости примыкает к измерительной базе С), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.5 и завершить обработку.
В противном случае вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.1 и завершить обработку.
2.5 Проверить условие: (Ye>=0) и (Ха>=0).
Если это условие не выполняется, то перейти на п. 2.6.
Если Ха=0, то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.4 и завершить обработку, в противном случае вычислить L=Ye/Ха.
Если L<Lmin (вектор скорости примыкает к оси А), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.3 и завершить обработку.
В противном случае проверить, если L>Lmax (вектор скорости примыкает к измерительной базе Е), то вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.4 и завершить обработку.
В противном случае вычислить значения V, D, W по формулам п. 1.1 и завершить обработку.
2.6 Обработать ошибку и завершить обработку.
Рисунок на фиг. 4 показывает, что сектор направлений потоков без затенения измерительных баз составляет почти 360° за исключением узких секторов примыкающих к плоскостям измерительных баз А - С и В - Е. Но алгоритм обработки измеренных данных п. 2 позволяет выявить эти направления и исключить из вычисления значений V, D, W затененную измерительную базу.
Таким образом, введение четвертой пары обратимых электроакустических преобразователей позволяет повысить точность измерений параметров ветра V, D, W.