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 горизонтального и вертикального составляющих скоростей ветра и направления ветра.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является 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 некоторых параметров электроакустических преобразователей, зависящих от внешних факторов, например, от температуры окружающего воздуха.
ЗИ
В известном устройстве время задержки t ультразвукового сигнала, определяемое скоростью ветра равно:
1
2
где t, t - измеренное время прохода ультразвукового сигнала в прямом и обратном направлении.
i
В соответствии с алгоритмом функционирования измерительных каналов в известном устройстве время t, i={1,2} равно
0i
где t - истинное время задержки ультразвукового сигнала, определяемое только скоростью ультразвука и скоростью ветра в i-ом направлении;
i
i
где T и f соответственно период и действительная частота генерации соответствующего акустического преобразователя, a i=1,2 - номер акустического преобразователя.
Добавляя отношение (2) в уравнение (1) имеем:
В уравнении (3) первое слагаемое соответствует действительному времени задержки, определяющее скорость ветра, а второе - является погрешностью измерений, которая сильно зависит от разности резонансных частот электроакустических преобразователей. Учитывая, что расчеты горизонтальной и вертикальной составляющих ведутся по результатам измерений 3-х пар измерительных баз, то погрешности измерений могут быть чрезвычайно большими.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является 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, 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 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 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.
В отличие от прототипа 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 ко 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.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению в каждый из трех каналов измерения скорости ветра согласующего устройства, компаратора, счетчика, триггера и ключевого устройства, достигнута независимость измерения от разброса собственных резонансных частот электроакустических преобразователей и их зависимости от влияния окружающей среды, что приводит к повышению точности определения параметров ветра и обеспечения высокой технологичности изготовления ультразвуковых измерителей, стабильности и повторяемости градуировочных характеристик.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на
фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;
фиг.2 - временные диаграммы взаимодействия узлов.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.
I
I
II
II
III
III
1
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
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, последовательно соединенные согласующее устройство 12, 12 и 12, третий компаратор 13, 13 и 13, и счетчик 14, 14 и 14, четвертый триггер 15, 15 и 15, ключевое устройство 16, 16 и 16, преобразователь временной интервал-цифра 17, 17 и 17, выход которого через блок деления 18, 18 и 18 подключен к блоку вычитания 19, 19 и 19.
I
II
III
Выходы блоков вычитания 19, 19 и 19 связаны с вычислительным устройством 20.
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
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
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 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, ко второму входу третьего триггера 11, 11 и 11, и ко второму входу четвертого триггера 15, 15 и 15, 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, через ключевое устройство 16, 16 и 16, 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, причем выход счетчика 14, 14 и 14, одновременно подключен ко второму входу ключевого устройства 16, 16 и 16, и к первому входу четвертого триггера 15, 15 и 15, выход которого соединен со вторым входом счетчика 14, 14 и 14, а вход согласующего устройства 12, 12 и 12, с первым входом третьего триггера 11, 11 и 11.
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 коммутаторы 3, 3 и 3, к передатчику импульсных сигналов 4, 4 и 4, модулированы синусоидальным сигналом к приемнику импульсных сигналов 5, 5 и 5, которые поочередно работают на излучение и прием в прямом и обратном направлениях.
5
I
II
III
n
I
II
III
n
5
Далее принимаемые сигналы U (см. фиг.2) 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 принимаемого синусоидального сигнала U.
I
II
III
4
I
II
III
11
I
II
III
Кроме того, с коммутатора 3, 3 и 3, начало излучаемого импульса U запускает третий триггер 11, 11 и 11, сигнал U которого поступает на вход закрытого ключевого устройства 16, 16 и 16.
4
I
II
III
12
I
II
III
n
4
Одновременно излучаемый импульс U поступает на вход согласующего устройства 12, 12 и 12, которое выделяет синусоидальную составляющую импульса генерации U, поступающего на вход третьего компаратора 13, 13 и 13, который имеет порог срабатывания U=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального составляющей излучаемого сигнала U.
13
I
II
III
I
II
III
14
4
I
II
III
Далее выходной импульс U третьего компаратора 13, 13 и 13, поступает на вход счетчика 14, 14 и 14, который формирует выходной сигнал U, соответствующий третьему периоду излучаемого импульса U, открывающий ключевое устройство 16, 16 и 16.
11
I
II
III
I
II
III
I
II
III
10
i
Сигнал U с выхода третьего триггера 11, 11 и 11, через открытое ключевое устройство 16, 16 и 16, поступает на первый вход второго триггера 10, 10 и 10 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}.
14
I
II
III
I
II
III
15
I
II
III
Одновременно сигнал U с выхода счетчика 14, 14 и 14, переключает четвертый триггер 15, 15 и 15, который своим входным сигналом U запрещает работу счетчика 14, 14 и 14.
I
II
III
6
I
II
III
8
I
II
III
I
II
III
7
n
I
II
III
Далее с первого компаратора 6, 6 и 6, импульсы U поступаеют на первый триггер 8, 8 и 8, сигнал U, с которого поступает на узел выделения третьего периода синусоид 9, 9 и 9, который пропускает со второго компаратора 7, 7 и 7, сигнал U, соответствующий третьему периоду с порогом U=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. Этот сигнал поступает на второй вход триггера 10, 10 и 10, и возвращает триггер нулевое состояние.
I
II
III
10
Таким образом, на выходе второго триггера 10, 10 и 10, 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.
9
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Кроме того, сигнал U с выхода узла выделения третьего периода синусоид 9, 9 и 9, поступает на вторые входы первого триггера 8, 8 и 8 четвертого триггера 15, 15 и 15, и третьего триггера 11, 11 и 11 и переводит их в исходное состояние до прихода следующего импульса излучения.
10
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
I
II
II
III
III
Далее импульс U, поступающий со второго триггера 10, 10 и 10, поступает на преобразователь временной интервал-цифра 17, 17 и 17,. Его длительность преобразуется в цифру, которая через блок деления 18, 18 и 18, поступает на блок вычитания 19, 19 и 19, 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.
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 каналах I, II и III и не зависит от значений температуры, относительной влажности и атмосферного давления.
I
II
III
Далее разность скорости, полученная в каждом канале измерения скорости ветра с блоков вычитания 19, 19 и 19, поступает на вычислительное устройство 20.
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 20 вычислять горизонтальную скорость и направление ветра, а также вертикальную компоненту скорости ветра по измеренным значениям скорости вдоль каждой из измерительных баз.
I
I
II
II
III
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить дополнительное повышение точности и достоверности надежности измерения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости и направления ветра в одном приборе, путем исключения влияния различия частот генерации электроакустических преобразователей 1 и 2, 1 и 2, 1 и 2 за счет вычитания дополнительно введенной задержки в 3 периода каждого такта излучения, обеспечиваемую согласующими устройствами 12, 12 и 12, третьим компаратором 13, 13 и 13, счетчиком 14, 14 и 14, четвертым триггером 15, 15 и 15, и ключевым устройством 16, 16 и 16, 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: G01Р 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 G01Р 5/01, 10.06.2009 г. - прототип.