АКУСТИЧЕСКИЙ АНЕМОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, и может быть использовано в метеорологии и геофизике.
Известен акустический измеритель скорости потока газов в трубах [1], основанный на измерении разности времен прихода излучаемого акустического сигнала к датчикам, расположенным по и против потока газа.
Измеритель содержит акустическую систему в виде излучателя звуковых сигналов и микрофонов в качестве детекторов звука, которые размещаются в измерительной трубе на определенном расстоянии друг от друга, а также генератор акустических сигналов, посредством которого сигналы подаются на звуковой излучатель, и коррелятор, на который поступают сигналы от микрофонов. В качестве акустического сигнала применяется непрерывный тональный сигнал, для вычисления разности времени прихода применен корреляционный вычислитель, а для вычисления скорости потока газа необходимо знание скорости распространения звука в заданной газовой среде. Скорость распространения звука табулируется в зависимости от температуры газа, поэтому известный прибор снабжен датчиком температуры. Однако, данный измеритель используют только для измерения скорости потока, а необходимость априорного знания скорости звука существенно усложняет как конструкцию устройства, так и алгоритм его функционирования.
Известно устройство для определения величины и направления вектора воздушного потока [2], состоящее из 3-х ультразвуковых зондов и температурного датчика в комбинации с электронным вычислительным контуром для вывода сигналов воздушного движения, показывающим величину и направление, по крайней мере, на трех координатных осях.
Устройство содержит на одной центральной стойке три ультразвуковых излучателя, расположенных под углом 120°, и три приемника напротив каждого излучателя на своей стойке, а разница времен прихода определяется по высокоскоростным часам. Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.
Известен акустический анемометр [3], состоящий из вычислительного устройства для задания и обработки сигналов и датчика температуры, соединенного с ним, генератора электрических сигналов, излучателя и приемников акустических сигналов, установленных на поддерживающей структуре и расположенных на равных расстояниях от излучателя.
В качестве генератора используют генератор коротких импульсных сигналов, излучатель и приемники акустических сигналов расположены в одной плоскости, а поддерживающая структура выполнена в виде прямого креста, в центре которого установлен излучатель, а на концах размещены акустические приемники, при этом излучатель дополнительно снабжен усилителем мощности, а приемники предварительными усилителями.
Однако серьезные недостатки конструкции и алгоритма функционирования известного акустического анемометра приводят к грубым ошибкам измерений и существенным затруднениям его практической реализации.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является акустический анемометр [4], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, а так же двух пар обратимых акустических приемопередатчиков приемников акустического сигнала, расположенных на поддерживающей структуре на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, устройства коммутации, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, и четырех виброизоляторов, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, первый выход которого подключен к другому входу вычислительного устройства, а его второй выход подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы и наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона приемопередатчиков.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести низкую точность измерений.
Это связано с тем, что измеренное время движения ультразвукового сигнала в прямом T1 и обратном T2 направлениях вдоль оси измерительной базы всегда содержит истинное время движения ультразвукового сигнала T и время задержки T3, обусловленное ограниченным быстродействием электроакустических преобразователей, усилителя и генератора известного устройства. Тогда измеренная скорость ветра вдоль оси измерительной базы определится следующим соотношением
Vв=0.5L(1/T1-1/T2) где L - длинна базы, T1=Tи1+Tз1, T2=Tи2+Tз2.
При условии, что время задержки движения ультразвукового сигнала в прямом Tз1 и обратном направлениях Tз2 равны, то соотношение 1 преобразуется к виду
Vв=0.5L(Tи2-Tи1)/(Tи1+ Tз1)(Tи2+ Tз2),
из которого следует, что наличие задержек при излучении и приеме ультразвукового сигнала, обусловленное ограниченным быстродействием элементов измерительного канала известного устройства, приводит к погрешности измерения скорости Vв в каждой измерительной базе и, следовательно, к значительным ошибкам вычисления вектора горизонтальной скорости ветра и его угловых координат.
При исследовании пьезопреобразователей фирмы MURATA типа ma40mf14-5b, ma40e8-2, ma58af14-0n и др. с различными импульсными генераторами при напряжениях возбуждения до 150в фиксировалась дополнительная временная задержка от 8% до 20% периода собственных колебаний электроакустических преобразователей. Таким образом, дополнительная временная задержка в каждой измерительной базе, существенно отличаясь друг от друга уже в процессе изготовления прибора, приводит к значительной погрешности измерений и появлению ложной информации. Указанный недостаток создает серьезные затруднения в разработке и изготовлении компактных ультразвуковых измерителей скоростей потока с минимальными длинами измерительных баз при заданной погрешности измерений, достоинствами которых является низкая материалоемкость и потребляемая мощность.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности измерений.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого акустического анемометра, который, как и прототип, состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, а так же двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, расположенных на поддерживающей структуре на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, и четырех виброизоляторов, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, обратимые акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы и наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков.
В отличие от прототипа в акустический анемометр дополнительно введены последовательно соединенные согласующее устройство, дифференцирующее устройство и первый компаратор, а так же второй компаратор и триггер, причем вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а так же второго компаратора и триггера и их взаимодействием с остальными элементами устройства, значительно снижено влияние неконтролируемых временных задержек ультразвукового сигнала, и обусловленных ограниченным быстродействием элементов измерительного канала известного устройства, что позволило обеспечить существенное повышение точности измерений и снизить технологический разброс метрологических характеристик при минимальных габаритных размерах устройства.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема акустического анемометра, а на фиг. 2 и 3 - представлена схема расположения обратимых акустических приемопередатчиков, акустического отражателя и виброизоляторов на поддерживающей структуре, на которой оси X, Y, Z образуют связанную прямоугольную систему координат XYZ.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
Акустический анемометр состоит из вычислительного устройства 1, подключенных к нему датчика температуры 2, генератора электрических сигналов 3 и предварительного усилителя 4, устройства коммутации 5, последовательно соединенных согласующего устройства 6, дифференцирующего устройства 7 и первого компаратора 8, а так же второго компаратора 9 и триггера 10 и двух пар обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11, расположенных на поддерживающей структуре 12, акустического отражателя 13, соединенного с поддерживающей структурой 12, четырех виброизоляторов 14, 14, 14 и 14, выходы обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 подключены к входам устройства коммутации 5, первый выход которого соединен с входом согласующего устройства 6, а его второй выход подключен к входу предварительного усилителя 4, выход генератора 3 подключен к другому входу устройства коммутации 5, управляющий вход устройства коммутации 5 подключен к вычислительному устройству 1, вход второго компаратора 9 соединен с выходом дифференцирующего устройства 7, а его выход подключен к первому входу триггера 10, выход которого подключен к второму входу первого компаратора 8, вход согласующего устройства 6 подключен к первому выходу коммутатора 5, а выход первого компаратора 8 одновременно подключен к второму входу триггера 10 и к другому входу вычислительного устройства 1, акустические приемопередатчики 11, 11, 11 и 11 расположены на поддерживающей структуре 12 на равных расстояниях L/2 от центра осей связанной системы координат XYZ, установлены в одной плоскости XY на поддерживающую структуру 12 через виброизоляторы 14, 14, 14 и 144 и наклонены в вертикальной плоскости к оси Z (навстречу друг к другу) на одинаковые углы а, акустический отражатель 13 удален от поддерживающей структуры 12 на высоту H, определяемую соотношением
H=0.5L/tgα
В качестве вычислительного устройства применяют, например, микроконтроллер серии AtmelMega AVR, имеющий встроенный аналогово-цифровой преобразователь и таймеры, позволяющие осуществить как оцифровку поступающих на входы сигналов, так и измерение времени прохождения акустических импульсов от излучателя к приемникам. В качестве акустических приемопередатчиков целесообразно использовать, например, обратимые пьезокерамические преобразователи фирмы MURATA, в качестве датчика температуры, например, термометр сопротивления.
Поддерживающая структура 12, а так же акустический отражатель 13 представляют собой, например, прямоугольные или круглые металлические пластины. При этом, акустический отражатель 13 устанавливается симметрично и параллельно поддерживающей структуре 12.
1
2
3
4
Виброизоляторы 14, 14, 14 и 14 изготавливаются на основе звукопоглащающих материалов и обеспечивают защиту приемопередатчиков от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции.
Устройство коммутации 5 предназначено для обеспечения прямого или перекрестного подключения двух любых входов к соответствующим своим выходам и может быть реализовано на основе широкой номенклатуры МОП-ключей и интегральных дешифраторов, например, серий 590, 591 и др.
1
2
3
4
Согласующее устройство 6 обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 до рабочих значений операционных усилителей и интегральной логики и может быть реализовано, например, на частотнокомпенсированных делителях напряжения. Остальные вновь введенные устройства (дифференцирующее устройство 7, компараторы 8 и триггер 10) могут быть реализованы на основе широкой номенклатуры элементов аналоговой и цифровой техники, например, серий 1533, 564 и др.
Компоновка акустического анемометра конкретными составляющими элементами зависит от предъявляемых требований к анемометру и области его дальнейшего использования, в том числе и от требуемой точности измерений векторов скорости потока.
Заявляемый анемометр работает следующим образом.
Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направления.
1
2
3
4
1
1
1
3
1
3
3
Вычислительное устройство 1 вырабатывает последовательность сигналов, поступающих одновременно на входы генератора 3 и устройства коммутации 5. Устройство коммутации 5 с каждым управляющим сигналом проводит последовательно перекрестное переключение пары приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 каждой координатной оси к выходу генератора 3 и к входу предварительного усилителя 4, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего к принимающему приемопередатчику соответствующей пары. Одновременно генератор 3 по каждому управляющему сигналу вычислительного устройства 1 генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые возбуждают подключенный к нему в этот момент приемопередатчик, например 11, который начинает формирование и излучение акустического сигнала в направлении акустического отражателя 13 под углом α. Одновременно электрический сигнал генерирующего приемопередатчика, например, 11 через первый выход устройства коммутации 5 поступает через согласующее устройства 6, которое обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков до рабочих значений операционных усилителей, на вход дифференцирующего устройства 7, которое на своем выходе формирует сигнал, огибающая которого содержит положительную и отрицательную составляющие. При этом первый максимум электрического сигнала генерирующего приемопередатчика, например, 11 соответствующий началу формирования и излучения акустического сигнала совпадает с моментом перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 через нулевой уровень. Положительным фронтом выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 с уровнем Uпор=Uа запускается второй компаратор 8, переключающий триггер 10 в единичное состояние, разрешающее работу первого компаратора 8. Компаратор 8 с уровнем Uпор=0 в момент перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 через нулевой уровень формирует сигнал, который одновременно поступает на другой вход вычислительного устройства 1 и на второй вход триггер 10, который переключает триггер 10 в нулевое состояние, запрещающее работу первого компаратора 8. В результате, на выходе первого компаратора 8 формируется короткий сигнал, фронт которого совпадает с моментом начала излучения акустического сигнала и запускающий отсчет времени движения акустического сигнала до принимающего приемопередатчика этой пары, например 11, исключая влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала, на точность измерений. Излученный передающим приемопередатчиком, например 11, акустический сигнал, отражается акустическим отражателем 13 под углом α, поступает на принимающий приемопередатчик этой пары, например 11, выходной сигнал которого через второй выход устройства коммутации 5 поступает на предварительный усилитель 4, усиливаются и поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени tx1 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11.
3
1
1
Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится переключение приемопередатчика, например 11, в режим передачи, а второго приемопередатчика, например 11, в режим приема и производится процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11 в обратном направлении аналогично описанному выше.
2
4
Подобным образом производится определение времени движения акустического сигнала до каждого из приемников 11 и 11 по оси Y в прямом ty1 и обратном ty2 направлениях.
При наличии газового потока V, проекции вектора его скорости на оси связанной системы координат будут Vx и Vy, соответственно. Обозначая скорость распространения звука как Va, получаем систему уравнений, связывающую время распространения акустического импульса вдоль осей связанной системы координат (например, вдоль оси X,), расстояние от излучающего до принимающего премопередатчиков L/cosα и проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx и скорость звука в воздухе Va, в виде:
tx1=L/cosα (Va+Vx/cosα) tx2=L/cosα(Va-Vx/cosα)
Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx.
Решением аналогичных уравнений для пары приемников, расположенных вдоль оси Y являются параметры Va и Vy.
После получения вышеназванных параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V как
2
2
2
V=Vx+Vy
и угол направления ветра β в связанной системе координат как:
β=arcos(Vy/ V),
а также атмосферное давление P как функцию скорости звука Va и температуры T, постоянно измеряемую датчиком температуры:
P=F(V,Т)
Функции расчетов всех вышеуказанных параметров возлагаются на вычислительное устройство 1.
Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного акустического анемометра приводит к получению более высокой точности и надежности измерений при минимальных габаритных размерах, за счет исключения влияния неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов измерительного канала, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.
ИСТОЧНИКИИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент на изобретение №5421212, МПК: G01P 5/01, опубл. 06.06.1995.
2. США, патент на изобретение №4038870, МПК: G01P 5/01, опубл. 02.08.1977.
3. Российская Федерация, патент на полезную модель№44391 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.03.2005
4. Российская Федерация, патент на полезную модель №153990 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.08.2015 г. - прототип.