Ультразвуковой анемометр портативной метеостанции
ULTRASONIC ANEMOMETER OF A PORTABLE METEOROLOGICAL STATION

Изобретение относится к приборостроению, а именно, к измерительной технике, и может быть использована для метеорологических наблюдений в приземном слое атмосферы при определении скорости и направления ветра, атмосферного давления, температуры, влажности воздуха.
Известны устройства, позволяющие измерять скорость ветра и температуру воздуха ультразвуковым методом: «Ультразвуковой анемометр» патент на изобретение № RU 2699939 от 11.09.2019 г.; «Ультразвуковой 3D-анемометр с каналом контроля функционирования» патент на полезную модель № RU2725528 от 02.07.2020 г.
Такие устройства представляют собой конструкцию из нескольких пар ультразвуковых приемопередатчиков, ориентированных навстречу друг другу и размещенных на некой несущей конструкции, которая должна быть максимально «прозрачна» для ветра и иметь высокую механическую прочность. Первое условие необходимо для уменьшения погрешностей измерений, связанных с искажением ветрового потока, которое вносит сама несущая конструкция. Второе - для уменьшения погрешностей измерений, обусловленных изменением измерительной базы в каждой паре ультразвуковых приемопередатчиков, из-за возможных деформаций несущей конструкции под действием ударных, вибрационных, температурных нагрузок, особенно это актуально для переносных и бортовых ультразвуковых анемометров. При этом стоит отметить, что даже самые малые искажения расстояний измерительной базы приемопередатчиков критически влияют на конечный результат вычислений. Это обстоятельство требует выполнения достаточно частой периодической поверки приборов, что связано с необходимостью вывода прибора из эксплуатации на длительный срок, а для ситуаций, где требуется непрерывность выполнения измерений, замены его на резервный.
Прототипом полезной модели является «Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры» № RU2666971 от 13.09.2018 г. Конструкция прототипа представляет собой устройство для измерения трех компонент вектора скорости воздуха и температуры, содержащее ультразвуковые приемопередающие датчики, датчик температуры, датчик относительной влажности, датчик атмосферного давления, электромагнитный компас, устройство обработки информации, устройство передачи информации, акселерометр, датчик угловых скоростей. Ультразвуковые приемопередатчики выполнены с возможностью измерения скорости потока воздуха и температуры, и размещены на флюгере, который установлен на стойке, на двухстепенном шарнире.
У прототипа можно отметить следующие недостатки: невозможность уменьшить габаритные размеры флюгера для целей транспортировки; ненадежность шарнира вращения, который требует высокой точности при сопряжении с флюгером и совместной центровке, длительное затухание колебаний флюгера при изменении направления ветра. Невозможность обеспечения внешнего электропитания флюгера, что ограничивает время работы метеостанции запасом энергии аккумуляторной батареи, расположенной внутри флюгера.
Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков.
Технический результат: улучшение точности вычисляемых параметров, в сравнении с прототипом за счет улучшения характеристик демпфирования колебаний при установке флюгера «по ветру», увеличение прочности и жесткости всей конструкции, и оперения в частности; повышение надёжности сопряжения шарнира вращения с флюгером и их взаимной центровки; уменьшение габаритных размеров в транспортировочном и рабочем состояниях. Увеличенное время работы за счет обеспечения передачи электропитания посредством индукционного беспроводного зарядного устройства, расположенного в корпусе вертикального шарнира.
Указанный результат достигается за счет использования в конструкции флюгера полипланного типа оперения и установки флюгера должным образом в шарнир вращения новой конфигурации с интегрированным зарядным устройством.
На фиг. 1 представлена 3D модель метеостанции в сборе. Вертикальный шарнир (1) с интегрированным индукционным зарядным устройством, блок датчиков (2), измерительный тракт (3), ультразвуковые приемопередатчики (4), оперение (5). Блок датчиков (2) содержит датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, датчик атмосферного давления, электромагнитный компас, акселерометр, датчик угловых скоростей, устройство обработки информации, устройство передачи информации. Измерительный тракт (3) состоит из металлического каркаса с закрепленными на противоположных сторонах ультразвуковыми приемопередатчиками (4).
Описание шарнира вращения.
На неподвижной опоре (корпус вертикального шарнира, показанный на фиг. 2) размещены индукционная катушка зарядного устройства (6) и вертикальная ось (7), на которой закреплена ответная подвижная часть вертикального шарнира с принимающей катушкой зарядного устройства (8).
На подвижной части закреплены стойки горизонтального шарнира, на котором на горизонтальной оси закреплен флюгер. Провода питания проходят внутри стоек и через полую ось горизонтального шарнира. Конструкция шарнира позволяет флюгеру неограниченно вращаться вокруг вертикальной оси и наклоняться на горизонтальной оси в широком диапазоне углов (вплоть до вертикального положения флюгера).
Описание конструкции оперения.
Оперение полипланного типа представляет собой решетку из регулярных ячеек, в данном случае шестигранной формы. Оперение состоит из двух консолей, которые размещаются на конце хвостовой балки флюгера и устанавливаются на собственных осях вращения, что позволяет их складывать вдоль балки при перевозке флюгера.
На фиг. 3 представлена 3D модель консоли полипланного оперения с шестигранными сотами.
Полипланный тип оперения позволяет существенно усилить демпфирование колебаний флюгера при ориентировании его «по ветру», благодаря чему точнее и быстрее реагировать на изменения направления ветра. Быстрая стабилизация положения флюгера «по ветру» положительно сказывается на точности измерений метеостанции, так как исключает из расчётов ложные и лишние значения считываемых параметров (уменьшает шум), обусловленные неустановившимся состоянием флюгера.
Сравнение характеристик демпфирования монопланной и полипланной поверхности представлено на фиг. 4.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Оперенный флюгер в шарнире вращения, установленный на заданной высоте от поверхности земли, ориентируется «по ветру». Его пространственное положение определяется при помощи данных от электромагнитного компаса, датчика угловых скоростей и акселерометра. В измерительном тракте происходит измерение времени прохождения звукового сигнала в прямом и обратном направлениях, на основе чего вычисляется температура среды, скорость звука и скорость среды. Атмосферное давление и влажность определяются соответствующими датчиками.
Изменение длины измерительной базы - расстояния между ультразвуковыми приемопередатчиками, контролируется путем сопоставления вычисленной ультразвуковым способом температурой и значением температуры от встроенного датчика температуры.
Измеренные и вычисленные метеорологические параметры передаются по беспроводному интерфейсу в портативную ЭВМ для последующей интерпретации и визуализации. Вычисление параметров воздушной среды производится непрерывно во времени, либо по заданному временному алгоритму.
Электропитание на флюгер подается при помощи катушек беспроводного зарядного устройства посредством индуцированного переменного магнитного поля. Конфигурация катушек, экранирование магнитного поля корпусом шарнира и удаленность флюгера от катушек исключает влияние магнитного поля на работу датчиков метеостанции.
За счёт применения полипланного оперения флюгера удаётся улучшить характеристику затухания колебаний (на порядок сократить время релаксации) при установлении флюгера «по ветру», вследствие чего уменьшается количество поступающих в обработку ложных показаний и повышается точность вычисленного результата. Данное обстоятельство особенно важно при порывистом ветре.