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 использована в метеорологии и геофизике.
Известен акустический измеритель скорости потока газов в трубах, 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 [1].
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, 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 [2].
Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является 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 практическая реализация известного акустического анемометра в соответствии с предложенными схемой размещения излучателя и приемников акустического сигнала и алгоритмом его функционирования возможна только при использовании акустического излучателя со сферической диаграммой направленности, которые не изготавливаются промышленностью.
При этом конструктивное исполнение известного акустического анемометра создает по две зоны в пределах 15-20 угловых градусов вдоль каждой измерительной оси, где погрешность измерения параметров потока (скорости и направления) превышают более 100% вследствие аэродинамического виньетирования элементами конструкции, главным образом излучателем и приемниками.
Кроме того в известном акустическом анемометре отсутствует защита от паразитной составляющей сигнала излучателя, распространяющейся по конструкции.
Следует отметить, что разность времен движения акустического сигнала вдоль измерительной базы 100 мм при наличии вера со скоростью 0.2 м/с и при его отсутствии при температуре воздуха 22 град C (скорость звука равна 345 м/с) составляет 0.021 мкс. Следовательно, известный акустический анемометр с системой синхронизации с временным разрешением 3 мкс для обеспечения чувствительности по скорости 0.2 м/с должен иметь измерительную базу длинной 14.2 м.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и надежности измерения величин вектора скорости потока и снижение потребляемой мощности.
Поставленная задача решается с помощью предложенного акустического анемометра, который, как и прототип, 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 на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры.
В отличие от прототипа в акустический анемометр дополнительно введены устройство коммутации, акустический отражатель, соединенный с поддерживающей структурой, четыре виброизолятора, при этом приемники акустического сигнала 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, 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.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что благодаря введению устройства коммутации, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, четырех виброизоляторов, выполнения приемников акустического сигнала в виде обратимых акустических приемопередатчиков, их соответствующей компоновкой в системе координат и взаимодействием с остальными элементами устройства, позволяет значительно снизить экранирующее влияние конструкции, устранить паразитное воздействие акустического сигнала через элементы конструкции и уменьшить количество активных элементов.
В результате обеспечивается существенное повышение точности измерений и надежности функционирования при минимальных габаритных размерах. Кроме того алгоритм работы приемопередатчиков позволил снизить потребляемую мощность и исключить усилитель мощности и три предварительных усилителя.
Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направления.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема акустического анемометра, на фиг. 2 и фиг. 3 - схема расположения 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
Анемометр состоит из вычислительного устройства 1, подключенных к нему датчика температуры 2, генератора электрических сигналов 3 и предварительного усилителя 4, устройство коммутации 5, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков 6, 6, 6 и 6, расположенных на поддерживающей структуре 7 на равных расстояниях L/2 от центра осей связанной системы координат XYZ, акустический отражатель 8, соединенный с поддерживающей структурой 7, четыре виброизолятора 9, 9, 9 и 9, при этом выходы всех акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации 5, а его выход подключен к входу предварительного усилителя 4, выход генератора электрических сигналов 3 подключен к другому входу устройства коммутации 5, акустические приемопередатчики 6, 6, 6 и 6 установлены в одной плоскости XY на поддерживающую структуру 7 через виброизоляторы 9, 9, 9 и 9 и наклонены в вертикальной плоскости к оси Z (навстречу друг к другу) на одинаковые углы α, акустический отражатель 8 удален от поддерживающей структуры на высоту H, определяемую соотношением
H=0.5L/tga
1
2
3
В качестве вычислительного устройства 1 применяют, например, микроконтроллер серии Atmel Mega 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 7, а так же акустический отражатель 8 представляют собой, например, прямоугольные или круглые металлические пластины. При этом акустический отражатель 8 устанавливается симметрично и параллельно поддерживающей структуре 7. Виброизоляторы 9, 9, 9 и 94 изготавливаются на основе звукопоглощающих материалов и обеспечивают защиту приемопередатчиков от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции. Устройство коммутации 5 предназначено для обеспечения прямого или перекрестного подключения выходов любой пары приемопередатчиков к своему выходу и дополнительному входу и может быть реализовано на основе широкой номенклатуры МОП-ключей и интегральных дешифраторов, например, серий 590, 591.
Компоновка измерителя 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 акустический анемометр работает следующим образом.
1
2
3
4
3
3
3
3
1
Вычислительное устройство 1 вырабатывает последовательность сигналов, поступающих одновременно на входы генератора электрических сигналов 3 и устройства коммутации 5. Устройство коммутации 5 с каждым управляющим сигналом проводит последовательно перекрестное переключение пары обратимых акустических приемопередатчиков 6, 6, 6и 6 каждой координатной оси к выходу генератора электрических сигналов 3 и к входу предварительного усилителя 4, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего к принимающему приемопередатчику соответствующей пары. Одновременно генератор электрических сигналов 3 по каждому управляющему сигналу вычислительного устройства 1 генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые возбуждают подключенный к нему в этот момент обратимый акустический приемопередатчик 6b который начинает формирование и излучение акустического сигнала в направлении акустического отражателя 8 под углом α, а вычислительное устройство 1 запускает отсчет времени движения акустического сигнала до принимающего обратимого акустического приемопередатчика этой пары, например 6. Излученный передающим приемопередатчиком, например 6b акустический сигнал отражается акустическим отражателем 8 под углом α и поступает на принимающий обратимый акустический приемопередатчик этой пары, например 6, выходной сигнал которого через 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 6. Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится переключение приемопередатчика, например 6b в режим приема, а второго приемопередатчика, например 6, в режим передачи и производится процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемопередатчика 6 в обратном направлении аналогично описанному выше.
2
4
Подобным образом производится определение времени движения акустического сигнала до каждого из приемников 6 и 6 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 приемопередатчиков 2L/cosα и проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx и скорость звука в воздухе Va, в виде:
tx1=L/cosα(Va-Vxcosα) tx2=L/ cosα(Va-Vxcosα)
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 α в связанной системе координат как:
α=arcos(Vy/V),
а также атмосферное давление P, как функцию скорости звука и температуры, постоянно измеряемой датчиком температуры:
P=F(V,t)
Функции расчетов всех вышеуказанных параметров возлагаются на вычислительное устройство 1.
Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного измерителя приводит к получению нового акустического анемометра, обеспечивающего более высокую точность и надежность измерений и снижение габаритных размеров и эксплуатационных расходов, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока, величины атмосферного давления и влажности.
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 - прототип.