Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры
WEATHER STATION FOR THE THREE-COORDINATE AIR VELOCITY VECTOR AND TEMPERATURE MEASUREMENT

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения давления, влажности, а также скорости, направления и температуры воздуха.
Известны устройства, позволяющие измерять скорость ветра и температуру воздуха ультразвуковым методом («Прибор метеорологический автоматизированный» патент на изобретение №RU 2466435 от 10.11.2012 г.; «Преобразователь измерений метеорологических параметров окружающей среды» патент на полезную модель №RU 53024 от 27.04.2006 г.). Эти устройства для измерения трех компонентов вектора скорости ветра имеют в своем составе несколько пар ультразвуковых приемопередатчиков, ориентированных навстречу друг другу.
Недостатком подобной конструкции являются низкие скорость и точность измерений, большие габаритные размеры, а также необходимость предварительной юстировки. В устройствах такого типа измеряются временные интервалы прохождения сигнала от одного приемопередатчика до другого, расположенного вдоль оси измерения. Абсолютная погрешность измерения времени зависит от частоты ультразвукового сигнала, а также ограничена дискретностью времени вычислителя. Абсолютная погрешность измерения времени для двух приборов с идентичными характеристиками электронных компонентов и равным расстоянием между ультразвуковыми приемопередатчиками одинакова. Необходимость измерения трех компонент скорости приводит к тому, что в общем случае по каждой из осей измеряется меньшая по модулю величина, что приводит к росту относительной погрешности. Кроме того, в известных устройствах фактически дважды измеряются угловые координаты. Первый раз для определения ориентации системы датчиков в пространстве, а второй при определении направления ветра из компонент скорости. Погрешности этих измерений складываются.
Прототипом заявляемого изобретения является «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» патент на изобретение №RU 2319987 от 05.06.2006 г. В конструкции прототипа применено решение, позволяющее отслеживать неверные показания анемометра, связанные с изменением длины измерительной базы. Измерение длины производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Операция производится внутри ветрозащищенного бокс-контейнера. Однако прототип также обладает всеми перечисленными недостатками, присущими вышеперечисленным аналогам.
Задачей изобретения является устранение таких недостатков, как пониженные скорость и точность измерений, необходимость предварительной юстировки прибора, а также большие габаритные размеры. Технический результат - увеличение точности и скорости измерения модуля вектора скорости и направления ветра, уменьшение габаритных размеров, сокращение сроков установки и подготовки прибора к работе.
Указанный технический результат достигается за счет применения для измерения скорости воздушных масс ультразвукового анемометра в сочетании с флюгером на двухосевом шарнире и блоком датчиков, обеспечивающих определение положения флюгера в пространстве. Кроме того, в конструкции анемометра предусмотрено размещение дополнительного датчика температуры, позволяющего ввести поправку на температурное расширение конструкции и изменение измерительной базы (расстояния между ультразвуковыми датчиками).
На фиг. 1 представлен эскиз устройства, который состоит из флюгера на двухстепенном шарнире (1), блока датчиков (2) с вычислителем, системой электропитания и системой беспроводной передачи данных на портативную или стационарную ЭВМ, измерительного тракта ультразвукового анемометра. Измерительный тракт представляет собой металлический каркас (3) с закрепленными на противоположных сторонах ультразвуковыми приемопередатчиками (4). Блок датчиков содержит датчик угловых скоростей и трехкоординатный акселерометр, электронный магнитный компас, датчики давления, влажности и температуры. Блок датчиков располагается вблизи центра масс всей системы. Двухстепенной шарнир располагается в центре масс всей системы, что обеспечивает безразличное равновесие в спокойном воздухе (V=0). Оперение (5) имеет произвольную форму (например, х-образное, звездообразное, решетчатое, и т.д.), и обеспечивает ориентацию флюгера вдоль направления потока воздуха в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Оперенный флюгер на двухстепенном шарнире, закрепленный на штанге, ориентируется по направлению воздушного потока. Пространственное положение флюгера измеряется при помощи датчика магнитного поля (электронного магнитного компаса), датчиков угловых скоростей и трехкоординатного акселерометра. Атмосферное давление определяется цифровым барометрическим датчиком давления. Влажность и температура определяются соответствующими датчиками. Измерение параметров воздушной среды проводится ультразвуковыми приемопередатчиками в измерительном тракте. При измерении параметров воздушной среды происходит измерение времени прохождения звукового сигнала в прямом и обратном направлении. Изменение длины измерительной базы производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Далее вычислителем производится вычисление скорости звука в среде и скорости среды
где
с - скорость звука
L - длина измерительной базы
прям
t - время распространения сигнала в прямом направлении
обр
t - время распространения сигнала в обратном направлении
возд
V - скорость потока воздуха.
С учетом поправок на изменение влажности воздуха можно вычислить температуру воздуха
где
Т - абсолютная температура
М - молярная масса
γ - показатель адиабаты
R - универсальная газовая постоянная
е - парциальное давление водяных паров
p - атмосферное давление.
Измеренные и вычисленные метеорологические параметры: температура воздуха, атмосферное давление, влажность, величина и азимут горизонтальной компоненты скорости ветра, передаются по беспроводному интерфейсу в портативную ЭВМ для последующих интерпретации и визуализации.
Таким образом, описанное техническое решение за счет уменьшения количества ультразвуковых приемопередающих датчиков, оригинальной конструкции, алгоритмов измерения и вычисления, введения дополнительного датчика температуры позволяет повысить точность измерения модуля вектора скорости и направления ветра, температуры воздуха, уменьшить массогабаритные параметры, обеспечить быстрые установку и подготовку прибора к работе.