Измеритель состояния атмосферы
ATMOSPHERIC CONDITION METER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения параметров ветра, в частности предназначено для измерения продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра и может быть использовано в составе объектов различного назначения, в том числе для метеостанций в составе систем экологического мониторинга и объектов спецтехники эксплуатирующийся 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. Ультразвуковой анемометр представляет собой акустическую систему, состоящую из нескольких пар ультразвуковых датчиков расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Ультразвуковой сигнал генерируется на передатчике и принимается приемником, при этом время прохождения сигнала определяется, в том числе скоростью ветра, температурой воздуха и значением атмосферного давления.
Известен способ измерения расхода потока и устройство для его осуществления [3]. Устройство состоит из двух пьезокерамических преобразователей поочередно излучающих и принимающих акустические колебания. В принятом сигнале по максимальному соотношению сигнал/шум определяют сигнал рабочей моды акустических колебаний и выбирают временной интервал рабочей моды с максимальным соотношением сигнал/шум. В выбранном временном интервале измеряют соответствующие фазовым сдвигам времена распространения акустических сигналов от одного преобразователя до другого. В устройстве реализована система слежения за положением стробирующего импульса относительно контролируемой фазы принятого сигнала рабочей моды в выбранном временном интервале.
Недостатком устройства измерения расхода потока является способ определения времени распространения акустического сигнала от одного преобразователя к другому с использованием компаратора. Данный способ не позволяет осуществить предварительную фильтрацию сигналов с пьезокерамических преобразователей и автоматическое определение порогового напряжения срабатывания компаратора. Изменение шумовой составляющей сигнала с датчиков и порогового напряжения срабатывания компаратора в диапазоне температур от минус 50°С до 55°С и других механических и климатических воздействиях оказывает влияние на точность определения времени распространения акустического сигнала от одного пьезокерамического преобразователя к другому.
Известно устройство «Датчик скорости ветра для транспортного средства» [4]. Устройство состоит из нижней и верхней платформы, соединенных опорами на которых расположены ультразвуковые датчики. На платформах установлены, соответственно, нижний и верхний защитные элементы. Нижняя платформа включает в себя электронное устройство, состоящее из мультиплексора, драйвера, соединенного с ультразвуковыми датчиками, аналого-цифрового преобразователя, принимающего сигналы от одного или более ультразвуковых датчиков через мультиплексор, процессора данных обеспечивающего обработку полученных сигналов и определение скорости ветра.
Недостатком устройства является отсутствие гальванической развязки ультразвуковых датчиков и усилителя сигнала, обеспечивающего необходимую точность аналого-цифровой обработки ультразвукового сигнала, изменяющего свои характеристики в диапазоне температур от минус 50°С до 55°С. Также в устройстве отсутствуют датчики температуры и атмосферного давления.
Известно устройство «Акустический анемометр» [5]. Прибор состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, а также двух пар приемников акустического сигнала, расположенных на поддерживающей структуре, с устройством коммутации, акустическим отражателем, соединенным с поддерживающей структурой, четырех виброизоляторов, при этом приемники акустических сигналов выполнены в виде обратимых акустических приемопередатчиков, выходы которых подключены к входам устройства коммутации, выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству.
Недостатком устройства является отсутствие гальванической развязки ультразвуковых датчиков и отсутствие датчиков температуры и атмосферного давления.
Известно устройство «Прибор метеорологический автоматизированный» [6]. Прибор состоит из датчика температуры воздуха, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, трехкоординатного ультразвукового анемометра, электромагнитного компаса. Ультразвуковой анемометр состоит из трех пар ортогонально расположенных ультразвуковых датчиков.
Недостатком устройства является отсутствие гальванической развязки ультразвуковых датчиков, расположение датчика температуры воздуха в нижней части устройства, вне зоны измерения скорости ветра, и способ крепления ультразвуковых датчиков не обеспечивающий необходимые геометрические размеры между акустическими осями ультразвуковых датчиков при ударах и вибрациях.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» [7]. Анемометр состоит из пар ориентированных на встречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников, устройства измерения временных интервалов, основного вычислительного устройства, электронного датчика температуры, устройства сравнения, дополнительным вычислительного устройства, ветрозащитного бокс-контейнера и датчиком сигнала его закрытия.
Недостатком устройства является отсутствие гальванической развязки ультразвуковых датчиков, способ крепления ультразвуковых датчиков не обеспечивающий необходимые геометрические размеры между акустическими осями ультразвуковых датчиков при ударах и вибрациях.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра при работе устройства в сложных условиях: при температуре окружающей среды от минус 50°С до 55°С, при вибрациях, ударах, в атмосфере содержащей соляной туман, агрессивные среды, повышенную и пониженную влажность, повышенное и пониженное давление, снег, дождь, иней, росу, пыль и песок, солнечное излучение, после погружение в воду на глубину 7 метров.
Выполнение поставленной задачи обеспечивается измерителем состояния атмосферы, состоящим из пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых датчиков, соединенного с ними устройства измерения временных интервалов, подключенного к вычислительному устройству, датчика температуры, отличающийся тем, что применены две пары ультразвуковых датчиков, для работы в качестве излучателей и приемников, установленные на корпус через виброизоляторы, акустические оси датчиков направлены вниз, на отражатель, ультразвуковые датчики попарно ортогональны друг другу, устройство измерения временных интервалов состоит из четырех гальванически развязанных генераторов электрических сигналов, подключенных к ультразвуковым датчикам, которые также подключены к четырем входам блоков гальванической развязки, выходы которых подключены к мультиплексору, выход которого подключен к усилителю, выход усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, датчик температуры установлен на корпусе на равноудаленном расстоянии от ультразвуковых датчиков и подключен к вычислительному устройству, также к вычислительному устройству подключен датчик абсолютного давления.
Конструктивное решение по установке ультразвуковых датчиков на виброизоляторы позволяет устранить передачу ультразвукового сигнала через корпус от излучателя к приемнику. Направление акустических осей вниз, на отражатель, обеспечивает улучшение режимов работы устройства в сложных условиях эксплуатации за счет снижения уровня загрязнения датчиков.
Гальваническая развязка каждого аналогово тракта ультразвукового датчика, в виде гальванически развязанного генератора электрических сигналов, подающего сигналы возбуждения на ультразвуковой излучатель, и блока гальванической развязки, обеспечивающего прием ультразвукового сигнала с приемника, позволяет снизить уровень шумов наводимых аналоговым трактом ультразвукового излучателя на аналоговый тракт ультразвукового приемника. Применение гальванической развязки обеспечивает симметрирование шумов, возникающих в схеме приема ультразвукового сигнала и обеспечивает, в подключенных к схеме проводниках, одинаковый импеданс относительно земли или любого другого проводника. Инструментальный или дифференциальный усилитель, обеспечивающий симметричную нагрузку по цепям прохождения сигнала с ультразвукового датчика, позволяет создать полностью симметричную систему шумоподавления с высокой эффективностью защиты от помех.
Высокочастотное аналого-цифровое преобразование аналогово сигнала с ультразвуковых датчиков, с последующей цифровой обработкой полученных данных, позволяет обеспечить необходимое качество фильтрации обрабатываемого сигнала. Учитывая, что в диапазоне температур от минус 50°С до 55°С амплитуда и форма огибающей ультразвукового сигнала значительно изменяется, последующая цифровая обработка сигнала позволяет выбрать нужную волну ультразвукового сигнала и точку на выбранной волне, используемую для определения времени прихода ультразвукового сигнала с использованием заранее определенного напряжения «покоя» аналогово тракта.
ПР
ОБР
Время распространения ультразвукового сигнала от передатчика к приемнику в прямом t и обратном t направлении позволяет определить проекцию скорости ветра на плоскость положение которой определяют акустические оси ультразвуковых датчиков по формуле [1]:
На Фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, где:
1 - корпус,
2 - устройство измерения временных интервалов
1
2
3
4
3, 3, 3, 3 - четыре гальванически развязанных генератора электрических сигналов,
4 - мультиплексор,
5 - усилитель,
6 - аналого-цифровой преобразователь,
7 - вычислительное устройство,
1
2
3
4
8, 8, 8, 8 - четыре блока гальванической развязки,
1
2
3
4
9, 9, 9, 9 - четыре ультразвуковых датчика,
1
2
3
4
10, 10, 10, 10 - четыре виброизолятора,
11 - датчик температуры воздуха,
12 - акустический отражатель,
13 - датчик атмосферного давления.
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 10, 10, 10, 10 установлены две пары ультразвуковых датчиков 9 и 9, 9 и 9, их акустические оси параллельны друг другу и направлены на акустический отражатель 12, ультразвуковые датчики соединены с устройством измерения временных интервалов 2 и подключены к выходам соответствующих гальванически развязанных генераторов электрических сигналов 3, 3, 3, 3 и соответствующим входам блоков гальванической развязки 8, 8, 8, 8, выходы которых подключены к входам мультиплексора 4, его выход подключен к входу усилителя 5, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, устройство измерения временных интервалов 2, подключено к вычислительному устройству 7, которое подает управляющие сигналы на входы гальванически развязанных генераторов электрических сигналов 3, 3, 3, 3. Вычислительное устройство 7 принимает и обрабатывает данные с устройства измерения временных интервалов 2, а также данные с датчика температуры 11 и датчика абсолютного давления 13.
1
2
3
4
1
2
3
1
3
1
1
3
1
3
3
3
3
3
1
2
4
3
1
2
4
4
2
1
3
Заявленное устройство работает следующим образом. Вычислительное устройство 7 вырабатывает последовательность сигналов, обеспечивающую переключение мультиплексором 4 сигналов поступающих с ультразвуковых датчиков 9, 9, 9, 9 через соответствующие блоки гальванической развязки 8, 8, 8, 84 к входу усилителя 5, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего к принимающему датчику соответствующей пары, например 9 и 9. Далее вычислительное устройство 7 вырабатывает последовательность сигналов на гальванически развязанный генератор электрических сигналов, например 3, который генерирует короткие импульсы, возбуждающие подключенный к нему ультразвуковой датчик 9, который начинает формирование и излучение ультразвукового сигнала в направлении отражателя 12, а вычислительное устройство 7 запускает отсчет времени движения ультразвукового сигнала до принимающего ультразвукового датчика соответствующей пары 9. Излученный передающим датчиком 9 акустический сигнал отражается отражателем 12 и поступает на принимающий ультразвуковой датчик 9, выходной сигнал которого поступает на вход блока гальванической развязки 8, выходной сигнал которого поступает на вход мультиплексора 4, выходной сигнал которого поступает на усилитель 5, усиливается и поступает на вход АЦП 6. Массив цифровых данных аналого-цифрового преобразования фильтруется, определяется нужная волна ультразвукового сигнала, по которой будет измеряться время прихода фронта и фиксирует время tx1 - время движения акустического сигнала до датчика 9. В качестве цифрового уровня сравнения, использующегося для определения времени прихода фронта ультразвукового сигнала используется отфильтрованное цифровое значение напряжения «покоя» аналогово тракта, по которому передается сигнал с датчика 9. Напряжение «покоя» определяется при включении мультиплексора на канал датчика 9 и при отсутствии излучения с датчиков 9, 9. 9. Устройство измерения временных интервалов 2 передает в вычислительное устройство 7, измеренное значение tx1. Далее проводится процесс измерения времени tx2 для ультразвуковых пар датчиков 9 и 9, ty1, ty2 для ультразвуковых пар датчиков 9 и 9, 9 и 9, аналогично паре 9 и 9. Результаты нескольких измерений времени движения ультразвуковых волн tx1, tx2, ty1, ty2 статистически обрабатываются в вычислительном устройстве 7 для устранения ложных срабатываний устройства измерения времени 2. Вычислительное устройство 7 обеспечивает вычисление значения скорости движения ветра и его направления, рассчитываются значения продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра. Сигналы с датчика температуры воздуха и датчика абсолютного давления поступают на вход вычислительного устройства 7 обрабатываются и результат вычислений используется для определения общего состояния атмосферы.
Моделирование распределения воздушных потоков в зоне измерения температуры и параметров ветра, а также экспериментальные данные показали, что приведенная выше конструкция (расстояние между датчиком температуры и осями ультразвуковых датчиков 15 мм, между акустически связанными парами ультразвуковых датчиков 30 мм, габариты измерительного модуля устройства, В×Ш×Д 89,5 мм ×65 мм ×107 мм, размеры стойки 4-12 мм ×8 мм, стойки 5 - ∅4 мм) обеспечивает необходимую точность измерения продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра ±1,5 м/с в диапазоне скоростей ветра от 0 м/с до 25 м/с, необходимую точность измерения температуры воздуха ±3°С. Измерение атмосферного давления воздуха в зоне ультразвукового изменения скорости ветра не требуется. Датчик абсолютного давления установлен в корпусе устройства, точность измерения давления определяется типом примененного датчика.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить повышение точности измерения продольной и поперечной скорости ветра при работе устройства в сложных условиях: при температуре окружающей среды от минус 50°С до 55°С, при вибрациях, ударах, в атмосфере содержащей соляной туман, агрессивные среды, повышенную и пониженную влажность, повышенное и пониженное давление, снег, дождь, иней, росу, пыль и песок, солнечное излучение, после погружение в воду на глубину 7 метров.
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 №2284015.
4. Патент Австралии на изобретение №2016264113.
5. Патент РФ на полезную модель №153990.
6. Патент РФ на изобретение №2466435.
7. Патент РФ на изобретение №2319987 - прототип.