АКУСТИЧЕСКИЙ АНЕМОМЕТР

Изобретение 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 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 (п. США №5421212, опубл.6.06.1995).
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 (п. США №4038870, опубл. 2.08.1977 г).
Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.
Наиболее близок к заявляемому акустический анемометр для одновременного измерения компонентов трехмерного вектора потока, который включает генератор для получения осцилирующего электрического сигнала; акустический излучатель для приема этого сигнала и генерирования непрерывного тонального акустического сигнала; по крайней мере три акустических приемника для принятия названного акустического сигнала и последующего генерирования электрического сигнала в ответ на него;
вычислительное устройство для обработки сигналов с получением электрического сигнала для генератора и по крайней мере с 3-х акустических приемников. Вычислительное устройство, соединенное с температурным датчиком, обрабатывает поступившие сигналы для определения вектора скорости. Сбор данных процессором происходит при высокой частоте амплитудно-импульсной модуляции, например, 10 кГц, что позволяет разрешать самые маленькие атмосферные турбулентности.
Однако использование измерительных каналов для определения проекции вектора скорости, находящихся не в одной плоскости с излучателем, приводит к усложнению как конструкции так и расчетного алгоритма, поскольку задача определения третьей проекции связана с наличием дополнительных приемников и усложнения расчетного алгоритма за счет необходимости выполнения дополнительных расчетов.
Задача изобретения заключается в расширении ассортимента акустических анемометров, обладающих высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения величин вектора скорости потока при одновременном снижении сложности конструкции и повышении ее надежности.
Поставленная задача решается тем, что в акустическом анемометре, состоящем из генератора электрических сигналов, установленных на поддерживающей структуре излучателя и приемников акустических сигналов, расположенных на равных расстояниях от излучателя; вычислительного устройства для задания и обработки сигналов и датчика температуры, соединенного с ним, 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.
Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направленности.
Блок - схема анемометра приведена на Фиг, на которой оси системы координат XY совпадают с линиями прямого креста, образуя связанную систему координат XY. Анемометр состоит из вычислительного устройства (ВУ), соединенного с ним генератора импульсных сигналов (ГИС), усилителя мощности (УМ) для излучателя акустических импульсов (И), приемников акустических импульсов (Пх1), (Пх2), (Пу1), (Пу2), расположенных вокруг излучателя (И) на равных расстояниях (L) на осях связанной системы координат ХУ. Сигналы приемников усиливаются соответствующими предварительными усилителями (ПУх1), (ПУх2), (ПУу1), (ПУу2) и затем поступают на (ВУ). Датчик (t) температуры наружного воздуха соединен с вычислительным устройством (ВУ).
В случае применения анемометра для определения вектора скорости ветра, плоскость XY горизонтальна.
В качестве вычислительного устройства 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 излучателя и приемников целесообразно использовать, например, пьезокерамические, а в качестве датчика температуры, например, термометр сопротивления. Поддерживающая структура представляет собой крестовину, в центре которой устанавливают излучатель, а на концах -приемники акустических сигналов.
Отметим, что 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, поэтому для высокоточных измерений используют более широкополосные излучатель и приемники и высокоскоростной процессор вычислительного устройства.
Заявляемый анемометр работает следующим образом. Генератор (ГИС), управляемый вычислительным устройством (ВУ), генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые, будучи усилены предварительным усилителем (УМ), поступают на акустический излучатель (И) и излучаются в окружающую среду. Излученные импульсы принимаются приемниками (Пх1), (Пх2), (Пу1), (Пу2), сигналы которых усиливаются соответствующими усилителями (ПУх1), (ПУх2), (ПУу1), (ПУу2) и поступают в вычислительное устройство (ВУ), которое за счет своей внутренней структуры и соответствующего программного обеспечения, производит определение времени прихода акустического импульса до каждого из приемников. 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 (вдоль оси X, например), расстояние от излучателя до приемников L, проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx и скорость звука в воздухе Va:
Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx Решением аналогичных уравнений для пары приемников, расположенны вдоль оси Y являются параметры Va и Vy. После получения вышеназванны параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V как
и угол направления ветра в связанной системе координат а как
а также атмосферное давление Р как функцию скорости звука и температуры, постоянно измеряемой датчиком температуры:
P=F(Vα,t)
Функции расчетов всех вышеопределенных параметров возлагаются на вычислительное устройство. При разрешающей способности вычислительного устройства по времени порядка 3 мкс заявляемый анемометр обеспечивает чувствительность по скорости на уровне 0.2 м/с.
Отличительными признаками заявляемого анемометра по отношению к прототипу являются: наличие двух пар приемников, расположенных на осях связанной системы координат в одной плоскости с излучателем, и излучение последовательности коротких акустических импульсов, что позволяет эффективно бороться с «паразитными» акустическими явлениями, вызванными распространением звука по несущей конструкции. Расположение приемников и излучателя в одной плоскости снижает требования к мощности излучателя и упрощает конструкцию и расчетный алгоритм.
Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного измерителя приводит к получению нового анемометра, обеспечивающего высокую чувствительность и частотный диапазон устройства (до сотен герц), надежность и снижение эксплуатационных расходов, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.