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.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является 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 блоков вычитания 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 недостаточную помехозащищенность и точность измерения скоростей ветра по обоим направлениям и направление ветра.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение помехозащищенности и повышение точности измерения параметров ветра.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого ультразвукового измерителя скоростей потока, который, как и прототип, содержит три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя,
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.
В отличие от прототипа 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.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что благодаря введению в каждый из трех каналов измерения скорости ветра двух компараторов, трех триггеров и узла выделения третьего периода синусоид, достигнуто повышение помехозащищенности за счет высокого уровня срабатывания первого компаратора и точной фиксации нулевого значения третьего периода синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей, что приводит к повышению точности определения параметров ветра.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;
фиг.2 - взаимное расположение электроакустических преобразователей всех трех каналов в горизонтальной плоскости;
на фиг.3 - взаимное расположение электроакустических преобразователей всех трех каналов в вертикальной плоскости.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.
I
I
II
II
III
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Каждый из каналов измерения скорости ветра включает по два обратимых электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2, подключенные через коммутатор 3, 3 и 3 к передатчику 4, 4 и 4 и приемнику 5, 5 и 5 импульсных сигналов, первый компаратор 6, 6 и 6, второй компаратор 7, 7 и 7, первый триггер 8, 8 и 8, узел выделения третьего периода синусоид 9, 9, и 9, второй триггер 10, 10 и 10, третий триггер 11, 11 и 11, преобразователь временной интервал-цифра 12, 12 и 12, выход которого через блок деления 13 13 и 13 подключен к блоку вычитания 14, 14 и 14.
I
II
III
Выходы блоков вычитания 14, 14 и 14 связаны с вычислительным устройством 15.
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.
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Входы первого компаратора 6, 6 и 6 и второго компаратора 7, 7 и 7 подключены к коммутатору 3, 3 и 3, выход первого компаратора 6, 6 и 6 подключен к первому входу первого триггера 8, 8 и 8, выход второго компаратора 7, 7 и 7 подключен к узлу выделения третьего периода синусоид 9, 9 и 9, выход первого триггера 8, 8 и 8, подключен ко второму входу узла выделения третьего периода
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
синусоид 9, 9 и 9, выход которого подключен ко второму входу второго триггера 10, 10 и 10, ко второму входу первого триггера 8 8 и 8 и ко второму входу третьего триггера 11, 11 и 11, кроме того, первый вход третьего триггера 11, 11 и 11 подключен к коммутатору 3, 3 и 3, а выход третьего триггера 11, 11 и 11 подключен к первому входу второго триггера 10, 10 и 10, причем выход второго триггера 10, 10 и 10 подключен к преобразователю временного интервал-цифра 12, 12 и 12.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.
I
I
II
II
III
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
В каждом канале измерения скорости ветра электроакустические преобразователи 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 подключены через коммутатор 3, 3 и 3 от передатчика импульсных сигналов 4, 4 и 4 модулированы синусоидальным сигналом и приемника импульсных сигналов 5, 5 и 5, которые поочередно работают на излучение и прием в прямом и обратном направлении.
I
II
III
n
I
II
III
n
Далее принимаемые сигналы поступают на первый компаратор 6, 6 и 6, который имеет порог срабатывания U>0 и всегда больше шумового сигнала приемного канала и второго компаратора 7, 7 и 7, который имеет порог срабатывания U=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального сигнала.
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Кроме того, с коммутатора 3, 3 и 3 начало излучаемого импульса запускает третий триггер 11, 11 и 11, который своим передним фронтом запускает второй триггер 10, 10 и 10, который формирует начало импульса длительности задержки за счет скорости ветра.
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Далее с первого компаратора 6, 6 и 6 импульс поступает на первый триггер 8, 8 и 8 с которого поступает на узел выделения третьего периода синусоидального сигнала 9, 9 и 9, который пропускает со второго компаратора 7, 7 и 7 начало третьего периода с порогом
n
I
II
III
U=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. И этот сигнал поступает на второй триггер 10, 10 и 10, на второй вход которого и возвращает триггер нулевое состояние.
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
I
II
II
III
III.
Таким образом, на выходе второго триггера 10, 10 и 10, формируется импульс, длительность которого временной задержки сигнала за счет скорости ветра плюс три периода излучаемого синусоидального сигнала, что обеспечивает высокую точность, т.к. первый компаратор 6, 6 и 6 уровень срабатывания значительно выше шумового сигнала, а второй компаратор 7, 7 и 7, обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2
I
II
III
I
II
II
I
II
III
Кроме того, сигнал, поступающий с выхода узла выделения третьего периода синусоид 9, 9 и 9, поступает на второй вход первого триггера 8, 8 и 8, и третий триггер 11, 11 и 11 переводит их в исходное состояние до прихода следующего излучения.
I
II
III
I
I
II
II
III
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
I
II
II
III
III
Далее импульс, поступающий со второго триггера 10, 10 и 10, равный времени задержки за счет скорости ветра и три периода синусоидального сигнала, который питает электроакустические преобразователи 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2, поступает на преобразователь временной интервал-цифра 12, 12 и 12 получает разность времени прохождения сигнала ультразвука между прямым направлением и обратным в цифре. Далее через блок деления 13, 13 и 13 поступает на блок вычитания 14, 14 и 14, где получают разность времени прохождения ультразвука в цифре между прямым направлением и обратным измерительной базы, это расстояние L между электроакустическими преобразователями 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2, базы равны.
Т.к. значение скорости звука в неподвижном воздухе за время измерения не меняется, то при вычитании оно исключается. Результирующая разность скорости определяется только ветровым сносом
импульсным ультразвуковым сигналом и не зависит от значений температуры воздуха и относительной влажности и атмосферного давления.
Далее эта разность поступает с трех каналов измерения скорости ветра и блоков вычитания на вычислительное устройство 15.
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 15 вычислять горизонтальную скорость и направление ветра, а также вертикальную компоненту скорости ветра по измеренным значениям скорости вдоль каждой из измерительных баз.
I
II
III
I
I
II
II
III
III
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить дополнительное получение направления скорости ветра и возможность измерения вертикальной составляющей ветра в одном приборе с большей точностью, чем достигается повышение безопасности взлета и посадки воздушных судов путем повышения помехозащищенности за счет высокого уровня срабатывания первого компаратора 6, 6 и 6 и точной фиксации нулевого значения третьего периода синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 что позволяет повысить точность измерения параметров ветра.
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.- прототип.