ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Полезная модель относится к приборостроению, а именно, к измерительной технике, и может быть использована для метеорологических наблюдений на подвижных и стационарных объектах для изучения сезонных и иных особенностей ветровых потоков воздуха в приземном слое атмосферы, в экологии - для мониторинга условий переноса и рассеяния аэрозолей, агрометеорологии - прикладной метеорологической дисциплине, изучающей атмосферные условия, имеющие значение для сельского хозяйства, в их взаимной связи с объектами и процессами земледелия или вообще сельскохозяйственного производства.
Известны конструкции для измерения скорости и давления газовых потоков, основанные на манометрическом принципе, например, трубка Пито - прибор для измерения динамического напора текущей жидкости (суспензии) или газа, применяемый при определении относительной скорости и объемного расхода в газоходах и вентиляционных системах в комплекте с дифференциальными манометрами. Для измерения скорости потока существует большое количество модификаций трубки Пито - Прандтля (трубки Брабе, Лосиевского, Престона и др.). Кроме того, скорость потока измеряют трубой Вентури. Направление потока измеряют цилиндрическими и сферическими насадками, комбинациями из трех расположенных под углом трубок Пито и т.д., показания которых очень чувствительны к направлению потока (Физические измерения в газовой динамике и при горении, пер. с англ., ч.1-2, М., 1957; Горлин С.М., Слезингер И.И., Аэромеханические измерения, М., 1964; Попов С.Г., Измерение воздушных потоков, М. - Л., 1947).
Известны устройства, основанные на измерении величины охлаждения нагретого тела под действием ветра (термоанемометр). (KR 20090129987 (А), опубл. 2009-12-17)
Однако практическое применение таких устройств при малых скоростях потока наталкивается на ряд трудностей, связанных с тарировкой и измерением весьма малых абсолютных давлений, что ограничивает использование для количественной оценки и уровня турбулизации воздуха.
Среди известных устройств для измерения таких параметров ветра, как направление, давление и скорость, наибольшее распространение получили анемометры с приемными частями в виде вертушек (чашечный анемометр, мельничный анемометр), которые вращаются с большей или меньшей скоростью в зависимости от давления на них ветра и построены на принципе преобразования скорости ветра в напряжение. Измерение скорости воздушного потока осуществляется трехлопастной вертушкой, которая вращает ротор датчика скорости ветра, преобразующего скорость ветра в напряжение. С выхода датчика переменное напряжение, частота которого пропорциональна скорости ветра, подается на измерительное устройство и схему автоматической обработки сигналов (патент РФ на полезную модель №53024, патент РФ на изобретение №2210096, ES 2342953).
Недостаток - наличие движущихся механических частей, что является причиной инерционности, т.е. снижения достоверности получаемых значений и высокой степени погрешности. Поэтому такие устройства невозможно использовать для изучения характеристик ветра при малых скоростях течения воздушных масс.
Наиболее близким, принятым за прототип, является анеморумбометр, состоящий из датчиков скорости и направления ветра, измерительного пульта и блока питания. В датчике сосредоточены чувствительные элементы и первичные преобразователи скорости и направления. Принцип действия анеморумбометра основан на преобразовании измеряемых характеристик скорости и направления ветра в электрические величины, которые передаются по соединительному кабелю в соответствующие узлы измерительного пульта. В качестве чувствительного элемента используется четырехлопастной воздушный винт с горизонтальной осью вращения. Чувствительным элементом для направления ветра является флюгарка, выполненная в виде объемного обтекаемого корпуса прибора, на котором установлен воздушный винт. Измерение средней скорости ветра основано на определении числа оборотов винта, вращаемого воздушным потоком, за 10 мин. Число оборотов винта, сниженное механическим редуктором до долей полного оборота, может быть отсчитано по шкале указателя, градуированного в м/с. Определение мгновенной скорости ветра основано на измерении напряжения электрического тока, который индуцируется в генераторе; вращение винта датчика передается ротору генератора так, что скорость ротора в каждый момент времени равна скорости вращения винта. Измерение направления ветра основано на дистанционной передаче положения флюгарки с помощью специального устройства. Блоки датчиков анеморумбометра устанавливаются на метеорологической площадке, на мачте высотой 10-12 м и ориентируются по направлению географического меридиана. Измерительные пульты и регистраторы помещают в здании станции. (МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ, http://www.pogoda.ru.net/dictionary1.htm)
Недостаток - наличие движущихся механических частей, что является причиной инерционности и снижения достоверности получаемых значений, высокой степени погрешности. Поэтому прототип невозможно использовать для изучения характеристик ветра при малых скоростях течения воздушных масс при отсутствии организованного газохода воздушного потока, сопровождающегося порывами ветра.
Кроме того, при решении задач анализа и прогноза загрязнения атмосферного воздуха аэрозолями, актуальным является не только учет изменения направления и скорости ветра, но и возможность измерения энергии горизонтальных порывов ветра.
Задачей полезной модели является создание устройства для учета изменения направления и скорости ветра, а также измерения энергии горизонтальных порывов ветра.
Технический результат - возможность определения характеристик порывов атмосферного воздуха при малых скоростях потока (менее 5 м/с), и отсутствии организованного газохода воздушного потока, а именно изменения направления и скорости ветра, а также измерения энергии горизонтальных порывов ветра при малых скоростях (менее 5 м/с). Это даст возможность получения более точных данных для анализа и прогноза распространения загрязнения атмосферного воздуха аэрозолями, вызванного диффузией вредных примесей в атмосфере - неупорядоченным перемещением воздуха с находящимися в нем примесями, обусловленным турбулентностью атмосферы.
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемое устройство, состоящее из датчиков характеристик ветра, снабженных чувствительными элементами и первичными преобразователями, блока питания, соединительного кабеля и измерительного пульта расположенного в помещении, внесены следующие изменения:
- устройство содержит 4 датчика давления ветра, которые выполнены в цилиндрической форме и расположены с ориентацией на 4 стороны света;
- чувствительный элемент датчика расположен на внешнем основании цилиндра и выполнен в виде гибкой мембраны, в центре которой находится неодимовый магнит;
- внутри каждого датчика, непосредственно за мембраной, установлена печатная плата, снабженная элементом Холла и операционным усилителем;
- выходы усилителей от каждого датчика и цепи их питания выведены в распределительную коробку и связаны с блоком питания и аналого-цифровым преобразователем посредством кабеля;
- измерительный пульт, располагающийся в помещении, представляет собой персональный компьютер, снабженный программой для обработки принятых с датчиков Холла оцифрованных данных, которые интерпретируются в значения переменной части мощности порывов ветра.
Перечисленные признаки не выявлены из уровня техники и, следовательно, предложенная полезная модель соответствует критерию новизна.
Полезная модель характеризуется изображениями, представленными на фигурах.
Фиг.1. Схематическое изображение полезной модели.
Фиг.2. Функциональная схема полезной модели.
Фиг.3. Графический интерфейс программы измерителя характеристик порывов ветра.
Предлагаемая полезная модель состоит из четырех датчиков 1, расположенных по сторонам света, выходы которых подключены к входу распределительной коробки 2. Выход распределительной коробки 2 посредством кабеля 3 соединен с аналого-цифровым преобразователем АЦП 4 и источником двуполярного питания (на фигурах не показан). Внешнее основание 5 датчика 1, выполненного в виде цилиндра, закрыто гибкой мембраной 6, в центре которой находится неодимовый магнит 7. Внутри каждого датчика 1, непосредственно за мембраной 6, установлена печатная плата 8 снабженная элементом Холла 9 и операционным усилителем 10. АЦП 4 установлен в слоте расширения персонального компьютера 11 и имеет свой адрес порта, посредством которого программа принимает оцифрованные данные.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы устройство калибруют с помощью набора разновесов для лабораторных весов, полученные значения напряжения записываются в калибровочный файл.
Устанавливают устройство на требуемой высоте. Под влиянием порывов ветра, обусловленных турбулентностью воздушных потоков, гибкая мембрана 6 датчика 1 реагирует на малейшее изменение давления воздуха, что приводит к колебаниям неодимового магнита 7 и изменению магнитного поля. Датчик Холла 9 вырабатывает ЭДС, пропорциональную относительного положения магнита. Сигналы с датчиков Холла 9 по 4-м румбам усиливаются посредством операционного усилителя 10, в качестве которого может быть использована микросхема К544УД2, представляющая собой дифференциальные операционные быстродействующие усилители с полевыми транзисторами на входе и низким уровнем шума. Затем усиленные сигналы с выходов датчика 1 от операционных усилителей 10 выводятся в распределительную коробку 2 и по кабелю 3 передаются на АЦП 4. Программа, установленная в персональном компьютере 11, считывает данные с аналоговых входов АЦП 4 с заданной дискретностью (10-1000 мс). Считанные данные записываются в очереди (кадры) по 100 измерений в кадре. По данным напряжений в кадре программа рассчитывает, согласно полученным эмпирическим характеристикам, соответствующие последовательности силы давления ветра и перемещения мембран 6. Вычисляются последовательности значений механической работы по каждому из румбов. Далее детектируются табличные функции работы (путем численного взятия производной) и исключается постоянная составляющая. Вычисляется определенный интеграл от табличной функции детектированного значения работы, по каждому из румбов. Границы интегрирования - границы последовательности (100 измерений). Одновременно вычисляется направление ветра по сигналам с датчиков 1 с помощью геометрической суммы векторов напряжения, определения угла между направлением на север и результирующего вектора напряжения. Далее программа суммирует вычисленные значения определенных интегралов детектированного значения работы по всем румбам и сохраняет полученное значение. Например, на фиг.3 представлен вид графика «работа переменной составляющей ветра» и графика «направление ветра». Вычисленное значение мощности переменного процесса записывается в лог-файл.
Таким образом, заявленная полезная модель решает поставленную задачу по измерению изменений направления и скорости ветра, а также энергии горизонтальных порывов ветра при малых скоростях (менее 5 м/с) и отсутствии организованного газохода воздушного потока.