УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, а именно, к технике измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра и может быть использована в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
В настоящее время в практике метеорологического обеспечения полетов авиации широко используются датчики параметров ветра как винтокрылые, так и акустические анемометры.
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили винтокрылые датчики, в которых используются ветреные датчики, которые определяют скорость ветра по угловой скорости вращения, а направление - по расположению вертушек вдоль направления ветра благодаря наличию флюгеров [1, 2, 3].
В настоящее время стали применять для измерения скорости ветра и его направлений акустические анемометры [4], которые имеют преимущество, т.к. не содержат механически вращающихся элементов (вертушек и флюгеров), наличие которых сильно уменьшает надежность измерителей скорости ветра и его направлений.
К недостаткам известных технических решений можно отнести невозможность измерения вертикальной составляющей скорости ветра, что может привести к усложнению условий посадки воздушных судов.
Известен ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока [5], содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал цифра, выход которого через блок деления подключен к первому блоку вычитания, синхронизатор и регистратор.
К недостаткам известного измерителя можно отнести его ограниченные возможности, т.к. он предназначен только для измерения скорости ветра, а такие параметры, как направление ветра и вертикальную составляющую ветра измерить невозможно.
Известен ультразвуковой измеритель скоростей потока [6], который содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.
Каждый из каналов измерения скорости ветра включает по два обратимых электроакустических преобразователей, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания.
Выходы блока вычитания каждого канала измерения связаны с вычислительным устройством.
Электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
К недостаткам известного измерителя скоростей потока можно отнести низкую точность измерения горизонтальной и вертикальной составляющих скоростей ветра и направления ветра.
Известен ультразвуковой измеритель скоростей потока [7], содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователей, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, при этом выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
Каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен двумя компараторами, тремя триггерами и узлом выделения третьего периода синусоид, при этом входы компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к узлу выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко второму входу второго триггера, ко второму входу первого триггера и ко второму входу третьего триггера, кроме того, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, а выход третьего триггера подключен к первому входу второго триггера, причем выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра.
К недостаткам известного ультразвукового измерителя скоростей потока можно отнести существенную зависимость точности измерений от технологического разброса параметров электроакустических преобразователей.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой измеритель скоростей потока [8], содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, два компаратора, входы которых подключены к коммутатору, три триггера и узел выделения третьего периода синусоид, при этом выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен к второму входу второго триггера и к второму входу третьего триггера, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
Каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен последовательно соединенными согласующим устройством, третьим компаратором и счетчиком, четвертым триггером и ключевым устройством, при этом выход счетчика одновременно подключен к второму входу ключевого устройства и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен со вторым входом счетчика, а второй вход соединен с выходом узла выделения третьего периода синусоид, первый вход ключевого устройства подключен к выходу третьего компаратора, а его выход - к первому входу второго триггера, вход согласующего устройства соединен с первым входом третьего компаратора.
К недостаткам известного ультразвукового измерителя скоростей потока можно отнести низкую надежность (вероятность безотказной работы), технологичность и повышенные материалоемкость и энергопотребление, что обусловлено значительным количеством активных устройств в каждом канале измерения. Это обстоятельство приводит к сложности изготовления, повышенным масса-габаритным показателям, что увеличивает себестоимость ультразвукового измерителя скоростей потока.
Повышенные масса-габаритные размеры и энергопотребление ограничивают возможность использования таких приборов в переносных и автоматических с автономным питанием метеостанциях.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности, технологичности и снижение материалоемкости и энергопотребления.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого ультразвукового измерителя скоростей потока, который, как и прототип, содержит три измерительные базы, включающие по два обратимых электроакустических преобразователя, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60°) в вертикальной плоскости, и коммутатор, к которому подключены передатчик и приемник импульсных сигналов, три компаратора, четыре триггера, узел выделения третьего периода синусоид, согласующее устройство, счетчик, ключевое устройство и последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра, блок деления, блок вычитания и вычислительное устройство, при этом выход согласующего устройства подключен к входу третьего компаратора, его выход подключен к первому входу счетчика, выход счетчика одновременно соединен со вторым входом ключевого устройства и с первым входом четвертого триггера, выход которого подключен ко второму входу счетчика, входы первого и второго компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко вторым входам первого, второго, третьего и четвертого триггеров, а первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход третьего триггера подключен к первому входу ключевого устройства, выход которого подключен к первому входу второго триггера, а выход второго триггера подключен к преобразователю временной интервал-цифра.
В отличие от прототипа ультразвуковой измеритель скоростей потока дополнен устройством синхронизации, логическим сумматором и шестью ключами, по два в каждой измерительной базе, при этом первый вход каждого ключа соединен с выходом соответствующего акустического преобразователя своей измерительной базы, выходы ключей, входы которых подключены к первым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, одновременно подключены к одному входу коммутатора, выходы ключей, входы которых подключены ко вторым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, подключены к другому входу коммутатора, вторые входы ключей первой измерительной базы подключены к первому выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей второй измерительной базы подключены ко второму выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей третьей измерительной базы подключены к третьему выходу устройства синхронизации, первый, второй и третий входы логического сумматора подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации, а его выход одновременно подключен к коммутатору и вычислительному устройству.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению устройства синхронизации, логического сумматора и шести ключей (по два в каждой измерительной базе) достигнуто значительное (в 3 раза) сокращение числа активных устройств в этой модели, что значительно повысило вероятность безотказной работы и технологичность изготовления, снизило временные и материальные затраты (следовательно, и себестоимость), вес и энергопотребление устройства при сохранении всех функций и достоинств прототипа.
Кроме того, наличие только одного передатчика для работы со всеми электроакустическими преобразователями обеспечило одинаковые условия их возбуждения и, следовательно, получение меньшей разности электромеханических характеристик этих электроакустических преобразователей, что так же улучшает точность и стабильность измерений.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;
фиг.2 - временные диаграммы взаимодействия узлов.
I
I
II
II
III
III
I
I
II
II
III
III
I
I
II
II
III
III
Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержит три измерительные базы I, II и III, каждая из которых включает по два обратимых электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2, подключенные через ключи 3 и 4, 3 и 4, 3 и 4 и через коммутатор 5 к передатчику 6 и приемнику 7 импульсных сигналов, первый компаратор 8, второй компаратор 9, первый триггер 10, узел выделения третьего периода синусоид 11, второй триггер 12, третий триггер 13, последовательно соединенные согласующее устройство 14, третий компаратор 15 и счетчик 16, четвертый триггер 17, ключевое устройство 18, последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра 19, блок деления 20, блок вычитания 21 и вычислительное устройство 22, устройство синхронизации 23, первый выход которого подключен ко вторым входам ключей 3 и 4, второй выход подключен ко вторым входам ключей 3 и 4, а третий выход подключен ко вторым входам ключей 3 и 4, а также логический сумматор 24.
Электроакустические преобразователи, расположены на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
Входы первого компаратора 8 и второго компаратора 9 подключены к коммутатору 5, выход первого компаратора 8 подключен к первому входу первого триггера 10, выход второго компаратора 9 подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид 11, выход первого триггера 10 подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид 11, выход которого подключен ко второму входу второго триггера 12, ко второму входу первого триггера 10, ко второму входу третьего триггера 13 и ко второму входу четвертого триггера 17, кроме того, первый вход третьего триггера 13 подключен к коммутатору 5, а выход третьего триггера 13 через ключевое устройство 18 подключен к первому входу второго триггера 12, причем выход второго триггера 12 подключен к преобразователю временного интервал-цифра 19 и к входу устройства синхронизации 23, причем выход счетчика 16 одновременно подключен ко второму входу ключевого устройства 18 и к первому входу четвертого триггера 17, выход которого соединен со вторым входом счетчика 16, а вход согласующего устройства 14 с первым входом третьего триггера 13, первый, второй и третий входы логического сумматора 24 подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации 23, а его выход соединен одновременно с коммутатором 5 и вычислительным устройством 22.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.
I
I
II
II
III
III
I
I
II
II
III
III
В начале устройство синхронизации 23 на своих выходах последовательно, начиная с первого, вырабатывает управляющие сигналы ,  и  (см. фиг.2), которые последовательно поступают на 1-й, 2-й и 3-й входы логического сумматора 24 и на вторые входы каждой пары ключей 3 и 4, 3 и 4, 3 и 4, подключая пары электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 соответствующей измерительной базы I, II и III к коммутатору 5.
24
С выхода логического сумматора 24 сигналы U, вырабатываемые с той же последовательностью, что и на выходах устройства синхронизации 23, поступают на коммутатор 5 и на вычислительное устройство 22, подготавливая их к измерениям последовательно с каждой измерительной базой I, II и III. При этом, как будет показано далее, длительность сигналов с выходов устройства синхронизации 23 и логического сумматора 24 соответствует длительности цикла работы на излучение и прием в обоих направлениях для каждой измерительной базы I, II и III.
I
I
II
II
III
III
Коммутатор 5 в течение разрешающего сигнала ,  и  с выхода логического сумматора 24, поочередно подключает передатчик 6 и приемник 7 к электроакустическим преобразователям 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 выбранной измерительной базы I, II или III, обеспечивая работу этих электроакустических преобразователей на излучение и прием в прямом и обратном направлениях.
6
13
При этом начало излучаемого импульса U запускает третий триггер 13, сигнал U которого поступает на первый вход закрытого ключевого устройства 18.
6
14
n
6.
Одновременно излучаемый импульс U поступает на вход согласующего устройства 14, которое выделяет синусоидальную составляющую импульса генерации U, поступающую на вход третьего компаратора 15, который имеет порог срабатывания U=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального составляющей излучаемого сигнала U
15
16
6
Далее выходной импульс U третьего компаратора 15 поступает на вход счетчика 16, который формирует выходной сигнал U, соответствующий третьему периоду излучаемого импульса U, открывающий ключевое устройство 18.
13
12
i
Сигнал U с выхода третьего триггера 13 через открытое ключевое устройство 18 поступает на первый вход второго триггера 12 и устанавливает его в единичное состояние, начиная формирование сигнала U временного интервала прохода ультразвукового сигнала с задержкой на 3 периода излучаемой частоты f, i={1,2}.
16
17
Одновременно сигнал U с выхода счетчика 16 переключает четвертый триггер 17, который своим входным сигналом U запрещает работу счетчика 16.
7
n
7
n
7
Принимаемые сигналы U (см. фиг.2) поступают на первый компаратор 8, который имеет порог срабатывания U>0 и всегда больше шумового уровня принимаемого сигнала U и второй компаратор 9, который имеет порог срабатывания U=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала U.
8
10
9
n
Далее с первого компаратора 8 импульсы сигнала U поступают на первый триггер 10, сигнал U которого поступает на второй вход узла выделения третьего периода синусоид 11, который пропускает со второго компаратора 9 сигнал U, соответствующий третьему периоду с порогом U=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. Этот сигнал поступает на второй вход триггера 12 и возвращает триггер в нулевое состояние.
12
Таким образом, на выходе второго триггера 12 формируется импульс U, длительность которого определяется только скоростью ветра и скоростью ультразвука и не зависит от его частоты и влияния на нее окружающей среды, что обеспечивает высокую точность измерений.
11
Кроме того, сигнал U с выхода узла выделения третьего периода синусоид 11 поступает на вторые входы первого триггера 10, четвертого триггера 17 и третьего триггера 13 и переводит их в исходное состояние до прихода следующего импульса излучения в обратном направлении.
12
12
I
I
II
II
III
III
12
зад.
Далее импульс U со второго триггера 12 поступает на входы устройства синхронизации 23 и преобразователь временной интервал-цифра 19, в котором длительность U преобразуется в цифру, которая через блок деления 20 поступает на блок вычитания 21, где получают разность времени прохождения ультразвука измерительной базы L в цифре между прямым и обратным направлениями. Расстояние L между электроакустическими преобразователями 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 равны. При этом по спаду каждого второго импульса U с выхода второго компаратора 12 устройство синхронизации 23 прекращает выдачу импульса ,  и  по соответствующему выходу, длительность которого соответствует времени на прием и передачу туда и обратно в каждой измерительной базе I, II и III, на время Т, необходимое для затухания периодных процессов в устройствах и для записи информации с выхода блока вычитания 21 в вычислительной устройство 22.
зад
По окончании времени Т устройство синхронизации 23 вырабатывает на своем следующем выходе управляющий сигнал , где i=1, 2, 3, который подключает следующую измерительную базу I, II и III к коммутатору 5, повторяя описанный ранее процесс измерения разности скорости ультразвука в соответствующей базе.
Так как значение скорости звука в неподвижном воздухе за время измерения не меняется, то при вычитании оно исключается. Результирующая разность скорости определяется только ветровым сносом импульсных ультразвуковых сигналов в измерительных базах I, II и III и не зависит от значений температуры, относительной влажности и атмосферного давления.
Далее разность скорости, полученная в каждой измерительной базе I, II и III с блока вычитания 21, последовательно поступает на вычислительное устройство 22.
I
I
II
II
III
III
Электроакустические преобразователи попарно 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, что позволяет в вычислительном устройстве 22 вычислять горизонтальную скорость и направление ветра, а также вертикальную компоненту скорости ветра по измеренным значениям скорости вдоль каждой из измерительных баз.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить повышение надежности, технологичности, снижения себестоимости, веса, габаритов и энергопотребления путем существенного (в три раза) снижения количества активных устройств за счет изменения алгоритма функционирования обеспечиваемого вновь введенными устройством синхронизации и шестью ключами, по два в каждой измерительной базе, и логическим сумматором и их взаимодействием с остальными узлами предлагаемой полезной модели, чем достигается повышение безопасности взлета и посадки воздушных судов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 Российская Федерация, патент на изобретение №2030749, МПК: 6 G01P 5/01, 1995 г.
2 Российская Федерация, заявка на изобретение №93049075/28, МПК: 6 G01P 5/01, 1996 г.
3 Российская Федерация, патент на изобретение №2093835, МПК: 6 G01P 5/01, 1997 г.
4 Российская Федерация, патент на полезную модель №44391, МПК: 7 G01P 5/01, 2005 г.
5 Российская Федерация, авторское свидетельство на изобретение №1081544, МПК: G01P 5/00, G01F 1/66, 1984 г.
6 Российская Федерация, патент на полезную модель №77975, МПК: 7 G01P 5/01, 2008 г.
7 Российская Федерация, патент на полезную модель №83620, МПК: 7 G01P 5/01, 10.06.2009 г.
8 Российская Федерация, заявка на полезную модель №2011115989/28 (023823), решение о выдаче патента от 09.06.2011, МПК: 7 G01P 5/01 - прототип.