Ультразвуковой анемометр
ULTRASONIC ANEMOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения скорости ветра, основанным на использовании акустического метода измерений - ультразвуковым анемометрам.
Известны устройства для измерения скорости воздушных потоков ультразвуковым методом (ультразвуковые анемометры) [1]. Принцип работы их основан на измерении времени пролета ультразвуковых импульсов через воздушную среду между акустическими излучателями и приемниками, которые посредством несущей арматуры размещены в контролируемой воздушной среде и образуют измерительный объем -открытое воздушное пространство, через которое проходят акустические оси попарно согласованных электроакустических преобразователей.
Одной из основных проблем, возникающих при конструировании ультразвукового анемометра, является необходимость создания несущей конструкции для поддержки в пространстве электроакустических преобразователей (ЭАП), которая сочетала бы в себе максимальную «ветровую прозрачность» и, одновременно, высокую механическую прочность. Первое условие необходимо для уменьшения погрешности измерений, обусловленной вносимым несущей арматурой искажением ветрового потока. Второе - для уменьшения погрешности измерений, обусловленной изменением расстояний между ультразвуковыми излучателями и приемниками из-за возможных деформаций конструкции несущей арматуры под действием ударных и вибрационных нагрузок (данное требование имеет особую актуальность при конструировании переносных и бортовых ультразвуковых анемометров, подвергающихся в процессе эксплуатации интенсивным механическим воздействиям). Эти требования носят, как правило, взаимоисключающий характер, так как стремление уменьшить ветровое сопротивление конструкции приводит к уменьшению ее механической прочности и наоборот, увеличение механической прочности влечет за собой увеличение сечений элементов конструкции и снижает ее ветровую прозрачность. Особую трудность эта задача представляет в случаях конструирования ультразвуковых 3D-анемометров, измеряющих пространственный вектор скорости ветра (горизонтальную и вертикальную скорость ветра), поскольку в этом случае ЭАП должны быть размещены в трехмерном пространстве.
Таким образом, общим недостатком известных ультразвуковых анемометров устройств является присутствие в измеряемом ветровом потоке нескольких несущих элементов конструкции, что приводит к искажению измеряемого ветрового потока.
Известен Ультразвуковой 3D-анемометр USA-1/T (компания «METEKGmbH», Германия), состоящий из механической конструкции, поддерживающей в пространстве 3 пары акустически согласованных ЭАП, и электронных блоков, осуществляющих генерацию управляющих электрических импульсов, вычисление и индикацию горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра [2] (прототип). В данном устройстве 6 попарно акустически согласованных ЭАП закреплены с помощью консолей на центральной стойке таким образом, что они образуют три акустически согласованные пары, причем геометрически эти ЭАП размещены в вершинах воображаемой трехгранной призмы, вертикальная ось симметрии которой совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси попарно согласованных ЭАП проходят по диагоналям ее боковых граней. Блок генерации управляющих электрических импульсов управляет последовательностью режимов работы ЭАП, переключая их из режима генерации акустических сигналов в режим приема и обратно (так называемая, моностатическая схема измерений), электронное вычислительное устройство осуществляет измерение времени пролета акустических импульсов в пространстве между акустически согласованными парами ЭАП и вычисление на основе этих данных компонент скорости ветра, а блок индикации параметров ветра индицирует значения горизонтальной и вертикальной скорости ветра и его направления.
Недостатком этого устройства является возникновение дополнительной ошибки измерений, обусловленной искажением измеряемого ветрового потока центральной стойкой, которая, при любом направлении горизонтального ветра, частично затеняет одну или две из акустических осей ЭАП, составляющих область измерения компонент скорости ветра. Несмотря на то, что в данной конструкции эффект затенения несколько снижен по сравнению с другими аналогами (в измеряемый ветровой поток попадает только одна центральная стойка, а не несколько несущих элементов), тем не менее этот эффект заметно проявляется при измерении сильного ветра.
Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения скорости ветра, обусловленной искажением измеряемого ветрового потока элементами несущей арматуры электроакустических преобразователей.
Техническим результатом является устройство ультразвукового 3D-анемометра, обеспечивающее устранение ошибки определения вектора скорости ветра, возникающей из-за ветрового затенения измерительного объема элементами несущей арматуры электроакустических преобразователей.
Для достижения этого технического результата в состав известного Ультразвуковой 3D-анемометр, состоящего из блока генерации управляющих электрических импульсов, электронного вычислительного устройства, блока индикации параметров ветра и механической конструкции, поддерживающей в пространстве электроакустические преобразователи, дополнительно введены блок селекции управляющих импульсов, блок селекции ошибки измерений и дополнительная пара акустически согласованных электроакустических преобразователей таким образом, что выход блока генерации управляющих электрических импульсов соединен со входом блока селекции управляющих импульсов, выходы которого подключены к входам электроакустических преобразователей, выходы которых в свою очередь, подключены к входам электронного вычислительного устройства, подключенного к входу блока селекции ошибки измерений, выход которого подключен к блоку индикации параметров ветра, при этом конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей представляет собой центральную стойку с консолями, на которых закреплены 8 электроакустических преобразователей, образующих 4 акустически согласованные пары, причем геометрически электроакустические преобразователи размещены в вершинах воображаемого куба таким образом, что вертикальная ось симметрии куба совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси попарно согласованных электроакустических преобразователей проходят по диагоналям боковых граней этого куба и не имеют точек пересечения между собой.
Изобретение иллюстрируется рисунками.
Фиг. 1 - Блок-схема ультразвукового анемометра: ГУИ - блок генерации управляющих электрических импульсов 1, СУИ - блок селекции управляющих импульсов 2, ЭАП - блок электроакустических преобразователей 3, ЭВУ - электронное вычислительное устройство 4, СОИ - блок селекции ошибки измерений 5, ИПВ - блок индикации параметров ветра 6.
Блок генерации управляющих электрических импульсов 1 (ГУИ) соединен со входом блока селекции управляющих импульсов 2 (СУИ), выходы которого подключены к входам 3 (ЭАП). Выходы 3 (ЭАП), в свою очередь, подключены к входам электронного вычислительного устройства 4 (ЭВУ), выход которого подключен к входу блока селекции ошибки измерений 5 (СОИ), а выход блока СОИ подключен к блоку индикации параметров ветра 6 (ИПВ).
Фиг. 2 - Конструкция несущей арматуры блока ЭАП: а) - внешний вид, б) - геометрическая (акустическая) схема: центральная стойка 9 (Y) с консолями, на которых в вершинах куба ABCDEFGH установлены электроакустические преобразователи (1, 2, 3, 4, 4, 6, 7, 8), образующие акустически согласованные пары, оси которых проходят по диагоналям куба А Н, Е В, С F и G D.
Конструкция несущей арматуры ЭАП представляет собой центральную стойку 9 с консолями, на которых закреплены 8 ЭАП, образующих 4 акустически согласованные пары. Причем геометрически ЭАП размещены в вершинах воображаемого куба таким образом, что вертикальная ось симметрии куба совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси попарно согласованных ЭАП проходят по диагоналям боковых граней этого куба и не имеют точек пересечения между собой.
Особенностью этой конструкции является то, что при любом направлении ветрового потока центральная стойка затеняет только одну из четырех диагоналей грани куба, по которым проходят оси акустически согласованных пар ЭАП, а для определения трех компонент скорости ветра достаточно использовать три оси пар ЭАП, проходящие по трем незатененным центральной стойкой диагоналям грани куба А Н, Е В, С F и G D.
Устройство работает следующим образом. Так же, как и в устройстве-прототипе, блок ГУИ 1 вырабатывает последовательность импульсов, управляющих работой ЭАП 3 - генерацией акустических импульсов и переключением ЭАП с режима «передача» на режим «прием» и обратно. Но, в отличие от устройства-прототипа, импульсы, вырабатываемые блоком ГУИ 1, проходят через блок СУИ 2, который формирует три группы управляющих импульсов, каждая из которых последовательно активирует три пары акустически согласованных ЭАП 3, оси которых расположены на гранях A B F E, A B H D и C D H G куба А В С D E F G Н, то есть измерения компонент одной и той же скорости ветра будут последовательно производиться трижды в трех разных плоскостях. При этом, в зависимости от направления ветра, в одном из этих трех актов измерений одна из компонент вектора скорости ветра будет иметь искажения (центральная стойка затеняет измерительную ось), а в двух других актах измерений этого искажения не произойдет (центральная стойка не будет затенять соответствующие измерительные оси). Далее, блок ЭВУ 4 последовательно трижды вычисляет величину трех компонент одной и той же скорости ветра, одна из которых будет вычислена с ошибкой, вызванной частичным затенением измерительной оси центральной стойкой, а две других будут свободны от этой ошибки. Затем, измеренные таким образом, три значения скорости ветра передаются в блок СОИ 5, в котором с помощью специальных алгоритмов производится устранение данных, вычисленных с ошибкой, и сохранение данных, вычисленных без указанной ошибки (в качестве простейшего алгоритма можно использовать простое исключение максимального и минимального значения скорости ветра из трех полученных: измерение, выполненное с ошибкой, будет существенно отличаться от двух других, близких друг к другу, поэтому при такой селекции будет, наряду с одним из истинных значений, удалено и значение, измеренное с ошибкой). Далее, сигнал, характеризующий значение скорости ветра, вычисленное без ошибки, связанной с искажением ветрового потока центральной стойкой, поступает на блок ИПВ 6 для индикации полученных данных, и измерительный процесс циклически повторяется.
ЛИТЕРАТУРА:
1. А.А. Тихомиров. Ультразвуковые анемометры и термометры для измерения пульсаций скорости и температуры воздушных потоков. Обзор. // Оптика атмосферы и океана, 23, №7, 2010, с. 593-600.
2. Ультразвуковой 3D-анемометр USA-1/T (компания «METEKGmbH», Германия) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://metek.de/ (дата обращения: 05.12.2018).