Измеритель состояния атмосферы

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно к технике измерения параметров ветра, в частности измерения продольной и поперечной составляющих горизонтальной скорости ветра и может быть использована в составе объектов различного назначения, в том для метеостанций в составе систем экологического мониторинга и объектов спецтехники эксплуатирующихся в сложных условиях.
Известны устройства для измерения скорости воздушных потоков ультразвуковым методом (ультразвуковые анемометры) [1, 2]. Принцип действия основан на измерении времени прохождения звуковой волны в воздухе, которое изменяется в зависимости от скорости воздушного потока. К разработке таких устройств предъявляются различные конструктивно-технические требования, одним из которых является проверка изоляции электрических цепей устройства - проверка сопротивления изоляции между электрическими цепями и корпусом устройства (металлическими нетоковедущими частями устройства). Конструктивной особенностью некоторых ультразвуковых датчиков, например серии МА40 фирмы Murata Electronics Inc. водонепроницаемый корпус которых изготовлен из металла, является монтаж одного из двух сигнальных проводов на корпус датчика. Применение таких датчиков не обеспечивает выполнение требований к устройству по проверке изоляции между электрическими цепями и корпусом. Решением этой задачи является использование методов гальванической развязки ультразвуковых датчиков (акустических приемопередатчиков) такого типа от остальных элементов устройства.
Известно устройство «Прибор метеорологический автоматизированный» [3]. Он содержит трехкоординатный ультразвуковой анемометр и другие датчики - датчик температуры воздуха, атмосферного давления, относительной влажности, температуры почвы, электромагнитный компас и пульт оператора.
Недостатком известного акустического анемометра является отсутствие гальванической развязки между электроакустическими преобразователями.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение электрической изоляции между цепями питания устройства и любой точкой корпуса.
Выполнение поставленной задачи обеспечивается измерителем составляющих горизонтальной скорости ветра, состоящим из вычислительного устройства, предварительного усилителя, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, расположенных на поддерживающей структуре, устройства коммутации, выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к вычислительному устройству, четырех виброизоляторов, причем акустические приемопередатчики установлены на поддерживающей структуре через виброизоляторы, акустического отражателя отличающийся тем, что в него введены четыре гальванически развязанных генератора электрических сигналов, подключенные к соответствующим обратимым акустическим приемопередатчикам, которые также подключены к четырем соответствующим входам блоков гальванической развязки, выходы которых подключены к устройству коммутации.
На Фиг. 1 - изображена функциональная схема предложенного устройства, где:
1 - корпус,
2 - четыре гальванически развязанных генератора электрических сигналов,
3 - устройство коммутации,
4 - предварительный усилитель,
5 - вычислительное устройство,
6 - четыре обратимых акустических приемопередатчика,
7 - четыре виброизолятора,
8 - блок гальванической развязки,
9 - акустический отражатель.
1
2
3
4
1
3
2
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Устройство состоит из корпуса 1, на котором через виброизоляторы 7, 7, 7, 7 установлены две пары обратимых акустических приемопередатчиков 6 и 6, 6 и 6, их акустические оси параллельны друг другу и направлены на акустический отражатель 9, акустические приемопередатчики соединены с выходами соответствующих гальванически развязанных генераторов электрических сигналов 2, 2, 2, 2 и соответствующим входам блоков гальванической развязки 8, 8, 8, 8, выходы которых подключены к входам устройства коммутации 3, его выход подключен к входу предварительного усилителя 4, выход которого подключен к вычислительному устройству 5, которое подает управляющие сигналы на входы гальванически развязанных генераторов электрических сигналов 2, 2, 2, 2.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
3
1
1
3
1
3
3
3
3
1
2
4
4
2
1
3
Заявленный измеритель составляющих горизонтальной скорости ветра работает следующим образом. Вычислительное устройство 5 вырабатывает последовательность сигналов, обеспечивающую переключение устройством коммутации 3 сигналов поступающих с акустических приемопередатчиков 6, 6, 6, 6 через соответствующие блоки гальванической развязки 8, 8, 8, 8 ко входу предварительного усилителя 4, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего к принимающему приемопередатчику соответствующей пары, например 6 и 6. Далее вычислительное устройство 5 вырабатывает последовательность сигналов на гальванически развязанный генератор электрических сигналов, например 2, который генерирует короткие импульсы, которые возбуждают подключенный к нему обратимый акустический приемопередатчик, например 6, который начинает формирование и излучение акустического сигнала в направлении акустического отражателя 9, а вычислительное устройство 5 запускает отсчет времени движения акустического сигнала до принимающего обратимого акустического приемопередатчика соответствующей пары, например 6. Излученный передающим приемопередатчиком 6 акустический сигнал отражается акустическим отражателем 9 и поступает на принимающий обратимый акустический приемопередатчик 6, выходной сигнал которого поступает на вход блока гальванической развязки 8, выходной сигнал которого поступает на вход устройства коммутации 3, выходной сигнал которого поступает на предварительный усилитель 4, усиливается и поступает на вход вычислительного устройства 5. Последнее прекращает процесс измерения времени tx1 движения акустического сигнала до приемопередатчика 6. Далее проводится процесс измерения времени tx2 для акустических пар приемопередатчиков 6 и 6, ty1, ty2 для акустических пар приемопередатчиков 6 и 6, 6 и 6, аналогично паре 6 и 6.
При наличии воздушного потока W, проекции вектора его скорости на оси связанной с акустическими датчиками системы координат будут Wx и Wy, соответственно, что соответствует продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра. Значение временных интервалов tx1, tx2, ty1, ty2 обеспечивает вычисление значений Wx и Wy.
Практическая реализация предложенной схемы позволяет выполнить конструктивно-технические требования ГОСТ РВ 20.39.309-98 п.13 в части требований к электрической изоляции между цепями питания устройства и любой точкой корпуса устройства. Электрическая изоляция обеспечивает электрическое сопротивление, достаточное для ограничения шунтирующего действия токов утечки: не менее 20 МОм - при нормальных климатических условиях, не менее 5 МОм - при повышенной температуре окружающей среды, не менее 1 МОм - при повышенной относительной влажности окружающей среды.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет выполнить некоторые конструктивно-технические требования, предъявляемые к устройству, в частности требование по проверке сопротивления изоляции между электрическими цепями и корпусом устройства (металлическими нетоковедущими частями устройства) при применении ультразвуковых датчиков с металлическим корпусом в котором один из сигнальных проводов имеет электрическую связь с корпусом.
Источники информации:
1. Серов А.Н., Панов А.П., Мочегов И.Н. Особенности построения датчиков ветра, работающих в составе объектов специального назначения // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2014. - №12. Ч. 2. - С. 163-172.
2. А.А. Тихомиров. Ультразвуковые анемометры и термометры для измерения пульсаций скорости и температуры воздушных потоков. Обзор. // Оптика атмосферы и океана, 23, №7, 2010, с. 585-600.
3. Патент РФ на изобретение №2466435.
4. Патент РФ на изобретение №2699939
5. Патент РФ на полезную модель №153990 - прототип.