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.
2
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.
Известен акустический анемометр [4], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, 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, деленную на тангенс угла наклона приемопередатчиков.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести низкую точность измерений, обусловленная ограниченным быстродействием электроакустических преобразователей, усилителя и генератора известного устройства, наличием задержек при излучении и приеме ультразвукового сигнала.
Известен акустический анемометр [5], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, 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, 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, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен ко второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести повышенные габариты, потребляемую мощность, низкую помехозащищенность и точность измерений, обусловленных воздействием составляющей акустического сигнала и электрического сигнала, передающего обратимого акустического приемопередатчика на принимающий акустический приемопередатчик.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является акустический анемометр [6], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно, и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен ко второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор, его рабочая поверхность совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков, при этом центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси, деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков,  выход приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя.
Существенным недостатком известного акустического анемометра является ограничение верхнего диапазона измерений и наличие грубых ошибок из-за воздействия внешних акустических помех. Источниками внешних акустических помех являются аэродинамические трубы, в которых проводят калибровку и поверку измерителей скорости потока газов, а также оборудование и летательные аппараты в местах эксплуатации акустического анемометра. Уровень звукового давления внешних акустических помех может достигать 90 дБ и более. При этом акустический приемник известного устройства преобразует эти помехи в электрический сигнал, который искажает рабочий электрический сигнал, создаваемый акустическим сигналом обратимого приемопередатчика, что приводит к грубым ошибкам или к потере работоспособности известного акустического анемометра.
Указанные недостатки создают серьезные затруднения в разработке и изготовлении компактных ультразвуковых измерителей для скоростей потока 30 м/с и более и ограничивают их эксплуатационные характеристики.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение диапазона измерений и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого акустического анемометра, который, как и прототип, состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а также предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен ко второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена со второй поддерживающей структурой, рабочая поверхность приемника акустического сигнала обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков, а центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси, деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, выход приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя.
В отличие от прототипа в акустический анемометр дополнительно введены второй приемник акустического сигнала, второй дополнительный виброизолятор, последовательно соединенные инвертирующий и суммирующий усилители, второй приемник акустического сигнала установлен на первую поддерживающую структуру через второй дополнительный виброизолятор вне пределов диаграммы излучения обратимых акустических приемопередатчиков, поверхность второго дополнительного виброизолятора совмещена с первой поддерживающей структурой, рабочая поверхность второго приемника акустического сигнала обращена в сторону первого приемника акустического сигнала, а центры рабочих поверхностей первого и второго приемника акустического сигнала расположены на одной оси связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выход второго приемника акустического сигнала соединен с входом инвертирующего усилителя, второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом предварительного усилителя, а выход суммирующего усилителя подключен к вычислительному устройству.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению второго приемника акустического сигнала, инвертирующего и суммирующего усилителей, установки второго приемника акустического сигнала на первую поддерживающую структуру через второй дополнительный виброизолятор вне пределов диаграммы излучения обратимых акустических приемопередатчиков, поверхность дополнительного виброизолятора совмещена с первой поддерживающей структурой, рабочая поверхность второго приемника акустического сигнала обращена в сторону первого приемника акустического сигнала, а центры рабочих поверхностей первого и второго приемника акустического сигнала расположены на одной оси связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, при этом выход второго приемника акустического сигнала соединен с входом инвертирующего усилителя, выход которого соединен первым входом суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, выход суммирующего усилителя подключен к вычислительному устройству, и их взаимодействием с остальными элементами устройства, позволило обеспечить повышение защищенности от внешних акустических помех, расширение диапазона измерений, улучшение эксплуатационных характеристик, а также существенно снизить требования к уровню акустических шумов оборудования для калибровки предлагаемого акустического анемометра, что снижает стоимость этого оборудования и, следовательно, расходы на процесс аттестации (себестоимости) предлагаемого акустического анемометра.
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, первого и второго приемников акустического сигнала, второй поддерживающей структуры, виброизоляторов относительно первой поддерживающей структуры, на которой оси X, Y, Z образуют связанную прямоугольную систему координат XYZ.
1
2
3
4
1
2
1
2
3
4
1
2
1
2
1
2
3
4
1
2
1
2
3
4
1
1
2
3
4
2
1
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
3
4
2
1
2
1
1
2
1
1
2
3
4
1
Акустический анемометр содержит (фиг. 1) вычислительное устройство 1, подключенные к нему датчик температуры 2 и генератор электрических сигналов 3, предварительный усилитель 4, устройство коммутации 5, последовательно соединенные согласующее устройство 6, дифференцирующее устройство 7 и первый компаратор 8, а также второй компаратор 9, триггер 10, две пары обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11, первую 12 и вторую 12 поддерживающие структуры, соединенные параллельно относительно друг друга, четыре виброизолятора 13, 13, 13 и 13, первый 14 и второй 14 приемники акустического сигнала, первый 15 и второй 15 дополнительные виброизоляторы и последовательно соединенные инвертирующий 16 и суммирующий 17 усилители, выходы обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 подключены к входам устройства коммутации 5, первый выход которого соединен с входом согласующего устройства 6, выход первого приемника акустического сигнала 14 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 ко второму входу первого компаратора 8, вход согласующего устройства 6 подключен к первому выходу коммутатора 5, а выход первого компаратора 8 одновременно подключен ко второму входу триггера 10 и к другому входу вычислительного устройства 1, выход второго приемника акустического сигнала 14 подключен к входу инвертирующего усилителя 16, выход предварительного усилителя 4 подключен ко второму входу суммирующего усилителя 17, выход которого подключен к вычислительному устройству 1, причем обратимые акустические приемопередатчики 11, 11, 11 и 11 установлены на первой поддерживающей структуре 12 (фиг. 2 и 3) через виброизоляторы 13, 13, 13 и 13, расположены на равных расстояниях L/2 от центра осей связанной системы координат XYZ, установлены в одной плоскости XY и наклонены в вертикальной плоскости к оси Z (навстречу друг к другу) на одинаковые углы α, вторая поддерживающая структура 12 соединена с первой поддерживающей структурой 12, первый приемник акустического сигнала 14 установлен на вторую поддерживающую структуру 12 через первый дополнительный виброизолятор 15, поверхность дополнительного виброизолятора 15 совмещена со второй поддерживающей структурой 12, второй приемник акустического сигнала 14 установлен на первую поддерживающую структуру 12 через второй дополнительный виброизолятор 15, вне пределов диаграммы излучения обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 так, что поверхность второго дополнительного виброизолятора 15 совмещена с первой поддерживающей структурой 12, рабочая поверхность второго приемника акустического сигнала 14 обращена в сторону первого приемника акустического сигнала 14, центры рабочих поверхностей первого 14 и второго 14 приемников акустического сигнала лежат на одной оси Z связанной системы координат XYZ, рабочая поверхность первого 14 приемника акустического сигнала обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11, а ее центр удален от центра осей связанной системы координат XYZ, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры 12, на высоту Н, 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.
Вместо обратимых акустических приемопередатчиков целесообразно использовать специализированные акустические передатчики, имеющие существенно лучшие характеристики при меньших габаритах, например, пьезокерамические преобразователи фирмы MURATA, в качестве датчика температуры, например, термометр сопротивления.
1
2
2
1
Первая 12 и вторая 12, поддерживающие структуры представляют собой, например, прямоугольные или круглые металлические пластины. При этом вторая поддерживающая структура 12 устанавливается симметрично и параллельно поддерживающей структуре 12.
1
2
3
4
1
2
Виброизоляторы 13, 13, 13 и 13, а также дополнительные виброизоляторы 15 и 15 существенно отличаются конструктивно, но изготавливаются на основе звукопоглащающих материалов и обеспечивают защиту приемопередатчиков от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции.
Устройство коммутации 5 предназначено только для последовательного подключения своих входов к одному выходу 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 частотно компенсированных делителях напряжения. Остальные устройства (дифференцирующее устройство 7, компараторы 8, триггер 10, а также инвертирующий 16 и суммирующий 17 усилители) 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,
1
1
1
1
2
2
1
2
1
При отсутствии внешних акустических помех, например, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием при калибровке предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, 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 переключение приемопередатчиков 11, 11, 11 и 11 каждой координатной оси к выходу генератора 3, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего приемопередатчика соответствующей пары к приемнику акустического сигнала 14. 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 к приемнику акустического сигнала 14 под углом α. Одновременно электрический сигнал генерирующего приемопередатчика, например 11 через первый выход устройства коммутации 5 поступает через согласующее устройство 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=Ua 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 триггера 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 приемника акустического сигнала 14, исключая влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала, на точность измерений. Излученный передающим приемопередатчиком, например 11, под углом α поступает на первый приемник акустического сигнала 14, выходной сигнал которого пропорционален уровню рабочего акустического сигнала, который усиливается предварительным усилителем 4 и поступает на второй вход суммирующего усилителя 17. Так как второй акустический приемник 14 защищен от воздействия рабочего акустического сигнала виброизолятором 12 и расположен вне пределов диаграммы излучения приемопередатчиков 11, то сигнал на его выходе при отсутствии акустических помех, следовательно, и на выходе инвертирующего усилителя 18 будет отсутствовать. При этом на выходе суммирующего усилителя 20 будет сформирован сигнал, пропорциональный разности выходных сигналов основного 14 и дополнительного 14 акустических приемников, который будет содержать составляющую сигнала только от воздействия рабочего акустического сигнала, которая поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени t×1 движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала 14.
3
1
Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится включение второго приемопередатчика, например 11, в режим передачи и производится процесс измерения времени t×2 движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала 14 в обратном направлении аналогично описанному выше.
2
4
1
Подобным образом производится определение времени движения акустического сигнала от каждого из приемопередатчика 11и 11 по оси Y в прямом ty1 и обратном ty2 направлениях до приемника акустического сигнала 14.
1
2
1
2
2
1
2
1
При возникновении внешних акустических помех, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием в процессе калибровки предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, эти помехи одновременно воздействуют на первый 14 и второй 14 приемники акустического сигнала. При этом на выходе первого приемника акустического сигнала 14 вырабатывается сигнал, уровень которого пропорционален линейной суперпозиции уровней рабочего акустического сигнала и акустической помехи, который усиливается предварительным усилителем 4 и поступает на второй вход суммирующего усилителя 17. На выходе дополнительного приемника акустического сигнала 14 вырабатывается сигнал, уровень которого пропорционален только уровню акустической помехи, так как этот акустический приемник защищен от воздействия рабочего акустического сигнала виброизолятором 15 и расположен вне пределов диаграммы излучения приемопередатчиков 11. Его входной сигнал усиливается инвертирующим усилителем 16, изменяя свою фазу на 180 градусов, и поступает на первый вход суммирующего усилителя 17. В результате суммирующий усилитель 17 формирует выходной сигнал, пропорциональный разности выходных сигналов первого 14 и второго 14 приемников акустического сигнала, который при соответствующем подборе чувствительностей приемников акустического сигнала и коэффициентов усиления предварительного 4 и инвертирующего 16 усилителей будет содержать составляющую сигнала только от воздействия рабочего акустического сигнала. Отфильтрованный таким образом сигнал поступает на вход вычислительного устройства 1, которое прекращает процесс измерения времени движения акустического сигнала от каждого приемопередатчика 11 (в прямом t1 и обратном t2 направлениях) до приемника акустического сигнала 14 в описанных выше случаях при отсутствии воздействия внешних акустических помех, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием при калибровке предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации.
1
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, расстояние от излучающего премопередатчика до первого приемника акустического сигнала 14L/2cosα и проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx, получаем систему уравнений, связывающую время распространения акустического импульса вдоль осей связанной системы координат (например, вдоль оси X), в виде:
tx1=L/2cosα(Va+Vx/cosα) tx2=L/2cosα(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 Р как функцию скорости звука Va и температуры Т, 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 позволяет обеспечить эффективную защиту от внешних акустических помех, расширить верхний диапазон измерений и существенно улучшить эксплуатационные характеристики, в том числе и точность измерений, за счет исключения негативного воздействия внешних акустических помех на принимаемый сигнал, а также существенно снизить требования к уровню акустических шумов оборудования для калибровки предлагаемого акустического анемометра, что снижает стоимость этого оборудования и, следовательно, расходы на процесс аттестации предлагаемого акустического анемометра, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.
ИСТОЧНИКИ 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.
5. Российская Федерация, патент на полезную модель №160408 МПК: G01P 5/01, опубл. 20.03.2015 г.
6. Российская Федерация, патент на полезную модель №164305, МПК: G01P 5/01, опубл. 27.08.2016 г. - прототип.