Измеритель состояния атмосферы

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно к технике измерения параметров ветра, в частности для измерения продольной и поперечной составляющей горизонтальной скорости ветра, и может быть использована в составе объектов различного назначения, в том числе объектов спецтехники эксплуатирующийся в сложных условиях, при вибрациях, ударах, в атмосфере содержащей соляной туман, агрессивные среды, повышенную и пониженную влажность, повышенное и пониженное давление, снег, дождь, иней, росу, пыль и песок, солнечное излучение, после погружение в воду на глубину 7 м.
Известны устройства для измерения скорости воздушных потоков ультразвуковым методом (ультразвуковые анемометры) [1, 2]. Принцип действия основан на измерении времени прохождения звуковой волны в воздухе, которое изменяется в зависимости от скорости воздушного потока.
Известно устройство «Прибор метеорологический автоматизированный» [3]. Он содержит трехкоординатный ультразвуковой анемометр и другие датчики - датчик температуры воздуха, атмосферного давления, относительной влажности, температуры почвы, электромагнитный компас и пульт оператора.
Недостатком известного прибора метеорологического автоматизированного является способ крепления ультразвуковых датчиков не обеспечивающий необходимые геометрические размеры между акустическими осями ультразвуковых датчиков при ударах и вибрациях.
Также известно устройство «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» [4]. Прибор состоит из пар ориентированных  навстречу друг другу излучателей и приемников, соединенного с ним устройства измерения временных интервалов, подключенному к основному вычислительному устройству, с электронным датчиком температуры, устройством сравнения, дополнительным вычислительным устройством, ветрозащитного бокс-контейнера и датчика сигнала его закрытия.
Недостатком ультразвукового термоанемометра является способ крепления ультразвуковых датчиков не обеспечивающий необходимые геометрические характеристики между акустическими осями ультразвуковых датчиков при ударах и вибрациях.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является «Акустический анемометр» [5]. Прибор состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, а так же двух пар приемников акустического сигнала, расположенных на поддерживающей структуре на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, с устройством коммутации, акустическим отражателем, соединенным с поддерживающей структурой, четырех виброизоляторов, при этом приемники акустических сигналов выполнены в виде обратимых акустических приемопередатчиков, выходы которых подключены к входам устройства коммутации, выход которого подключен ко входу предварительного усилителя, выход генератора подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, обратимые акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы и наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг другу на одинаковые углы, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси, деленную на тангенс угла наклона обратимых приемопередатчиков.
Однако практическая реализация известного акустического анемометра в соответствии с предложенной схемой расположения приемопередатчиков на поддерживающей структуре требует установки отражателя на стойках, которые изменяют распределение воздушных потоков в зоне измерения. Также важным является направление осей акустических приемопередатчиков расположенных на поддерживающей структуре. Направление акустических осей вверх приводит к быстрому загрязнению приемопередатчиков и повышенному риску их повреждения при очистке. Наклон акустических осей и, соответственно, корпусов акустических приемопередатчиков, приводит к увеличению габаритов акустического анемометра. Математическое моделирование воздушных потоков, возникающих в зоне измерения скорости ветра в конструкции, построенной на базе известного патента, показывает значительные нелинейные распределения воздушных потоков возникающих за счет стоек, соединяющих отражатель и поддерживающую структуру, а так же за счет возвышения корпусов акустических приемопередатчиков над поддерживающей структурой.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение возможности загрязнения акустических приемопередатчиков пылью и грязью, что в свою очередь уменьшает риск повреждения датчиков при очистке их поверхности, а также расширение эксплуатационных режимов работы измерителя состояния атмосферы при работе в сложных условиях при вибрациях, ударах, в атмосфере содержащей соляной туман, агрессивные среды, повышенную и пониженную влажность, повышенное и пониженное давление, снег, дождь, иней, росу, пыль и песок, солнечное излучение, после погружение в воду на глубину 7 м.
Выполнение поставленной задачи обеспечивается измерителем состояния атмосферы, состоящим из двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, расположенных на корпусе-поддерживающей структуре, на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной поддерживающей структуры, четырех виброизоляторов, причем акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, акустического отражателя, отличающийся тем, что акустические приемопередатчики установлены в четыре, не соединенных между собой углубления корпуса, при этом оси акустических приемопередатчиков параллельны и направленны вниз к отражателю, а отражатель установлен на основание и поднят над ним, корпус и основание соединены двумя стойками с внутренними отверстиями для монтажа проводов и двумя стойками без внутренних отверстий, при этом корпус с акустическими приемопередатчиками установлен выше основания с отражателем.
На Фиг. 1 - изображена схема расположения элементов измерителя состояния атмосферы, где:
1 - корпус;
2 - основание,
3 - углубление корпуса
4 - две стойки с внутренними отверстиями для монтажа проводов,
5 - две стойки без внутренних отверстий,
6 - четыре обратимых акустических приемопередатчика,
7 - четыре виброизолятора.
8 - акустический отражатель.
Схема состоит из четырех акустических приемопередатчиков 6 установленных в корпусе 1 через виброизоляторы 7 в четырех несоединенных между собой углублениях корпуса 3. Основание 2, расположенное параллельно поверхности корпуса 1, соединено с корпусом двумя стойками с внутренними отверстиями для монтажа проводов 4 и двумя стойками без внутренних отверстий 5, отражатель 8 установлен на основании 2 так, что бы параллельные акустические оси датчиков 6 были перпендикулярны его поверхности. Акустические приемопередатчики расположены на корпусе на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат XYZ, лежащей в плоскости, параллельной плоскости корпуса, акустические оси приемопередатчиков направлены внутрь периметра отражателя.
В отличие от устройства-прототипа приемопередатчики перенесены с нижней поверхности на верхнюю, что снижает возможность загрязнения ультразвуковых датчиков пылью и грязью и уменьшает риск повреждения датчиков при очистке их поверхности. Для снижения возможности загрязнения датчиков 6, обеспечения направленного акустического излучения и снижения нелинейности распределения воздушных потоков датчики 6 установлены в углубления корпуса 3. Также для снижения влияния неоднородности воздушного потока проходящего через зону измерения продольной и поперечной составляющей скорости ветра отражатель 8 поднят над основанием 2.
Моделирование распределения воздушных потоков в зоне акустического измерения, а так же экспериментальные данные показали, что приведенная выше конструкция (расстояние между акустически связанными парами ультразвуковых датчиков 30 мм, расстояние от поверхности датчика до поверхности отражателя 31 мм, габариты измерительного модуля, В×Ш×Д 89,5 мм × 65 мм × 107 мм, размеры стойки 4 - 12 мм × 8 мм, стойки 5 - ∅ 4 мм) обеспечивает необходимую точность измерения продольной и поперечной составляющей скорости ветра ±1,5 м/с в диапазоне скоростей ветра от 0 м/с до 25 м/с, при этом дополнительная нелинейность распределения воздушных потоков, вызванная стойками 4 и 5, компенсируется математическими методами на этапе обработки измеренных приемопередатчиками данных.
Помимо стойкости к механическим факторам, конструкция обеспечивает вандалостойкость измерителя состояния атмосферы, не меняет свою геометрию и позволяет сохранять точностные характеристики измерения продольной и поперечной скорости ветра во время и после ударов по модулю измерения без дополнительных режимов калибровки.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет устранить возможность получения ошибочной информации о продольной и поперечной составляющей скорости ветра из-за нарушения геометрических размеров между акустическими осями ультразвуковых приемопередатчиков за счет повышения жесткости конструкции удерживающей акустические приемопередатчики и снижения влияния неоднородности воздушного потока проходящего через зону измерения продольной и поперечной скорости ветра, а так же расширить эксплуатационные режимы работы измерителя состояния атмосферы в части измерения продольной и поперечной составляющей скорости ветра при сложных условиях эксплуатации, при вибрациях, ударах, в атмосфере содержащей соляной туман, агрессивные среды, повышенную и пониженную влажность, повышенное и пониженное давление, снег, дождь, иней, росу, пыль и песок, солнечное излучение, после погружение в воду на глубину 7 м.
Источники информации:
1. Серов А.Н., Панов А.П., Мочегов И.Н. Особенности построения датчиков ветра, работающих в составе объектов специального назначения // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2014. - №12. Ч. 2. - С. 163-172.
2. А.А. Тихомиров. Ультразвуковые анемометры и термометры для измерения пульсаций скорости и температуры воздушных потоков. Обзор. // Оптика атмосферы и океана, 23, №7, 2010, с. 585-600.
3. Патент РФ на изобретение №2466435.
4. Патент РФ на изобретение №2319987.
5. Патент РФ на полезную модель №153990-прототип.