ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АНЕМОРУМБОМЕТР
FIBRE-OPTIC WIND METER

Область техники
Изобретение относится к анеморумбометрам - приборам для измерения скорости и направления (румба) ветра и может использоваться, например, в метеорологии, электроэнергетике (в частности, ветроэнергетике), морском деле и других областях промышленности. Результаты измерений могут быть использованы для определения аэродинамических воздействий на различные сооружения, например, ветроэнергетические установки, воздушные линии электропередачи.
Уровень техники
Наиболее распространенные приборы аналогичного назначения представляют собой измеритель скорости ветра (анемометр на основе крыльчатки или термоанемометр), дополненный флюгаркой для указания направления ветра [RU 2073872, RU 115496]. Эти приборы недостаточно надежны и неудобны в эксплуатации из-за наличия вращающихся и перемещающихся механических деталей.
Известен также близкий по назначению волоконно-оптический измеритель скорости потока среды, содержащий две оптоволоконные катушки, оптически связанные в интерферометр, источник когерентного света, фотоприемник и управляемые фазосдвигающие устройства в плечах интерферометра [RU 2060505]. Действие этого волоконно-оптического измерителя основано на чувствительности оптоволокна к внешним воздействиям (в частности, к давлению среды) и размещении оптоволоконных катушек на подложке, конструкция которой обеспечивает перепад давления, зависящий от скорости потока.
Недостаток подобных приборов - сложность интерференционной схемы, большой расход оптоволокна, невысокая точность измерений, а также невозможность комплексирования группы совместно используемых приборов в одном волоконно-оптическом тракте и необходимость обеспечения каждого прибора группы электропитанием и собственным каналом электросвязи с местом сбора информации.
В качестве прототипа выбран оптический измеритель скорости и направления ветра, описанный в статье [M. Hölling, B. Schulte, S. Barth and J. Peinke. «Sphere anemometer - a faster alternative solution to cup anemometry». Journal of Physics: Conference Series vol.75 no.1, pp 1-6, 2007].
В состав прототипа входят: держатель в виде гибкого полого стержня, закрепленный одним концом на неподвижном основании, ветроприемник в виде шара (т.е. тела с множеством осей симметрии), установленный соосно с держателем на его незакрепленном конце, оптический датчик отклонения ветроприемника и расчетно-измерительный блок.
Оптический датчик в прототипе выполнен в виде зеркала, закрепленного на ветроприемнике и отражающего направленный на него луч лазера на двумерный (плоский) позиционно-чувствительный элемент. Расчетно-измерительный блок прототипа преобразует положение луча на двумерном позиционно-чувствительном элементе в электрический сигнал, соответствующий двум координатам отклонения ветроприемника, закрепленного на держателе. Прототип обеспечивает высокую точность измерений скорости и направления ветра.
Недостаток прототипа - необходимость использования в каждом приборе дорогостоящих оптических и электрооптических элементов (лазер, зеркало, позиционно-чувствительный элемент), размещаемых вблизи места крепления держателя с жестко заданной геометрией взаимного расположения. При использовании нескольких приборов каждый из них содержит такие элементы и должен быть обеспечен электропитанием и собственным каналом электросвязи с местом сбора информации. Поэтому прототип имеет высокую себестоимость, низкую надежность, неудобен в монтаже и эксплуатации, особенно в случае сбора информации от группы территориально разнесенных приборов.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - снижение себестоимости, повышение надежности, удобства монтажа и эксплуатации.
Предметом изобретения является анеморумбометр, который содержит держатель в виде гибкого стержня, предназначенный для закрепления одним концом на неподвижном основании, ветроприемник, имеющий по меньшей мере одну ось симметрии и установленный соосно с держателем на его незакрепленном конце, оптический датчик отклонения ветроприемника и расчетно-измерительный блок, и отличается тем, что оптический датчик выполнен из двух отрезков оптоволокна с брэгговскими решетками, имеющими несовпадающие спектры отражения, при этом отрезки оптоволокна прикреплены к держателю с возможностью продольной деформации по меньшей мере одного из отрезков при отклонении ветроприемника в любом направлении и введены в оптоволоконный тракт расчетно-измерительного блока, который выполнен с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения, отраженного брэгговскими решетками, и расчета скорости и направления ветра по результатам измерения.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Изобретение имеет развития, характеризующие частные случаи его осуществления и состоящие в том, что:
- ветроприемник может быть выполнен в форме шара или цилиндра;
- ветроприемник может быть жестко закреплен на свободном конце держателя, причем в этом случае отрезки оптоволокна могут быть закреплены вдоль держателя на участках его боковой поверхности, расположенных под прямым углом друг к другу;
- держатель может быть, по меньшей мере, частично охвачен ветрозащитным кожухом, причем в этом случае каждый отрезок оптоволокна может быть прикреплен одним концом к держателю, а другим концом - к внутренней поверхности ветрозащитного кожуха непосредственно или посредством консольных элементов;
- отрезки оптоволокна могут быть размещены на деформируемых подложках;
- ветроприемник может быть выполнен полым и установлен с возможностью смещения относительно оси держателя, при этом каждый отрезок оптоволокна размещается на деформируемой подложке и крепится одним концом к держателю, а другим концом - к внутренней поверхности ветроприемника непосредственно или посредством консольных элементов;
- в случаях прикрепления отрезков оптоволокна одним концом к держателю, а другим концом - к внутренней поверхности ветрозащитного кожуха или полого ветроприемника отрезки оптоволокна могут быть расположены под прямым углом друг к другу.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен заявляемый анеморумбометр с держателем, частично охваченным ветрозащитным кожухом, ветроприемником, жестко закрепленным на свободном конце держателя, и двухмерным оптическим датчиком, элементы которого закреплены вдоль держателя.
На фиг.2 представлено то же, что и на фиг.1, но элементы оптического датчика закреплены поперек держателя посредством консольных элементов.
На фиг.3 представлено то же, что и на фиг.2, но элементы оптического датчика закреплены поперек держателя на деформируемых подложках.
На фиг.4 представлен заявляемый анеморумбометр с полым ветроприемником, закрепленным на свободном конце держателя с возможностью смещения относительно оси держателя.
На фиг.5 представлена схема расчетно-измерительного блока с включенным в его оптический тракт двухмерным оптическим датчиком.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
На фигурах показаны держатель 1, выполненный в виде гибкого (сплошного или полого) стержня, ветроприемник 2, имеющий по меньшей мере одну ось симметрии, двухмерный оптический датчик 3 отклонения ветроприемника 2 и расчетно-измерительный блок 4.
Один конец держателя 1 жестко заделан в неподвижном основании (например, в стене здания, метеовышке, опоре линии электропередачи и т.п.), а на другом свободном конце держателя 1 соосно с ним закреплен ветроприемник 2.
На фигурах показан частный случай выполнения держателя 1 в виде полого стержня прямоугольного сечения. Ветроприемник 2 показан на всех фигурах в форме шара, т.е. тела, имеющего множество осей симметрии, но он может быть выполнен иначе, например, в виде эллипсоида, цилиндра или другого тела вращения, имеющего по меньшей мере одну ось симметрии.
Датчик 3 выполнен в виде двух отрезков 5 и 6 оптоволокна с нанесенными брэгговскими решетками. Отрезки 5 и 6 отражают различные (т.е. несовпадающие) спектральные составляющие поступающего в них излучения и прикреплены по меньшей мере одним концом к держателю 1 так, чтобы при отклонении ветроприемника 2 в любом направлении хотя бы один из отрезков 5 или 6 испытывал продольную деформацию.
На фиг.1 показан частный случай такого прикрепления - отрезки 5 и 6 оптоволокна закреплены вдоль держателя 1 на участках его боковой поверхности, расположенных под углом α друг к другу. Угол α предпочтительно прямой.
Держатель 1 может быть частично закрыт ветрозащитным кожухом 7, который также жестко заделывается в неподвижное основание. Это позволяет блоку 4 при определении расчетным путем скорости и направления ветра исходить только из давления ветра на ветроприемник 2, пренебрегая трудно учитываемыми ветровыми воздействиями на открытую часть держателя 1.
При наличии кожуха 7 или в случае использования полого ветроприемника 2, установленного с возможностью смещения, возможен другой частный случай прикрепления отрезков 5 и 6 к держателю 1 с расположением их поперек держателя 1 (см. фиг.2, 3, 4). В этом случае один конец отрезка крепится к поверхности держателя 1, а другой - к внутренней поверхности кожуха 7 (фиг.2 и 3) или ветроприемника 2 (фиг.4). Поперечное крепление отрезков 5 и 6 может осуществляться непосредственно или посредством консольных элементов 8, показанных на фиг.2.
При этом угол β между отрезками 5 и 6, расположенными поперек держателя 1, так же как и угол α, предпочтительно прямой.
Отрезки 5 и 6 введены в оптоволоконный тракт 9 блока 4.
Блок 4 выполнен с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения, отраженного брэгговскими решетками, и определения направления и скорости ветра по результатам измерения.
Отрезки 5 и 6 могут быть размещены на деформируемых подложках 10, показанных на фиг.3 и 4.
Закрепление ветроприемника 2 на свободном конце держателя 1 согласно изобретению может быть выполнено в двух вариантах: жесткое закрепление (фиг.1-3) и закрепление с возможностью смещения оси полого ветроприемника 2 относительно оси держателя 1 под действием ветра (фиг.4). В последнем случае отрезки 5 и 6 размещаются на деформируемых подложках, а ветроприемник 2 и держатель 1 связаны сферическим шарнирным соединением, которое может быть выполнено, например, следующим образом (см. фиг.4). На держателе 1 выполняется элемент 11 шарнирного соединения с полым ветроприемником 2 в форме усеченной или полной сферы, сопрягаемой с ответным сферическим углублением на внутренней стороне оболочки полого ветроприемника 2 (на фиг.4 ответное углубление не показано).
Возможное выполнение блока 4 иллюстрирует фиг.5, на которой показаны: источник 12 излучения (лазер), фотоприемник 13 и оптический циркулятор 14, через который источник 12 и фотоприемник 13 подсоединены к оптоволоконному тракту 9. Отрезки 5 и 6 введены в тракт 9. Вход источника 12 и выход фотоприемника 13 присоединены к программируемому вычислительному блоку 15, осуществляющему цифровую обработку, хранение и выдачу результатов измерения - значений скорости и направления (румба) ветра.
Устройство работает следующим образом.
Анеморумбометр устанавливается так, чтобы ветроприемник 2 был открыт для ветров всех направлений (румбов). Благодаря тому, что ветроприемник 2 имеет осесимметричную форму и установлен соосно с держателем 1, устройство с одинаковой чувствительностью воспринимает ветер любого румба (направления).
В случаях жесткого крепления ветроприемника 2 (фиг.1-3) устройство работает следующим образом. В отсутствие ветра держатель не изогнут и упомянутая выше соосность сохраняется. Отрезки 5 и 6 не деформированы. Под воздействием ветра ветроприемник 2 отклоняется, изгибая держатель 1 и деформируя отрезки 5 и 6, как в случае их закрепления на боковой поверхности держателя вдоль него, так и в случаях их расположения поперек держателя 1.
В случае использования полого ветроприемника 2, закрепленного с возможностью смещения оси ветроприемника 2 относительно оси держателя 1, устройство работает следующим образом. При вертикальной установке держателя 1 с нижним положением ветроприемника 2 в отсутствие ветра их соосность сохраняется за счет силы тяжести, воздействующей на ветроприемник 2. При невертикальной установке держателя соосность держателя и ветроприемника 2 в отсутствие ветра нарушается, что требует начальной градуировки, результаты которой учитываются в расчетах, выполняемых программируемым блоком 4. Под действием ветра ветроприемник 2 отклоняется, смещая и поворачивая свою ось относительно оси держателя 1. Отрезки 5 и 6, прикрепленные (непосредственно или посредством консольных элементов 8) одним концом к поверхности держателя 1, а другим - к внутренней поверхности ветроприемника 2, деформируются без изгиба держателя 1.
При всех исполнениях анеморумбометра (см. фиг.1-4) отрезки 5 и 6 деформируются (воспринимая деформацию подложек 10 при размещении на них) пропорционально величинам соответствующих составляющих вектора ветрового воздействия, воспринимаемого ветроприемником 2.
Блок 4 преобразует величины деформаций отрезков 5 и 6 в показания анеморумбометра следующим образом (см. фиг.5).
Широкополосное излучение входящего в состав блока 4 источника 12 через циркулятор 14 и тракт 9 попадает в отрезки 5 и 6, соединенные оптически последовательно, как на фиг.5, или параллельно. Отраженные брэгговскими решетками отрезков 5 и 6 спектральные составляющие излучения источника 12 возвращаются обратно в тракт 9 и через циркулятор 14, который препятствует попаданию в источник 12 отраженного излучения, поступают на фотоприемник 13, преобразующий оптический сигнал в электрический. Блок 15 оцифровывает выходной сигнал фотоприемника 13 и обрабатывая полученные цифровые данные в соответствии с записанной программой, отдельно измеряет сдвиги спектральных составляющих, отраженных брэгговской решеткой каждого отрезка 5 и 6. По измеренным сдвигам блок 15 определяет деформацию каждого отрезка оптоволокна или его подложки, рассчитывает по полученным данным направление и величину отклонения ветроприемника 2 и соответствующие этому отклонению скорость и направление (румб) ветра.
Углы α и β задают взаимное расположение осей системы координат, используемой для измерения вектора скорости ветра в соответствующих вариантах осуществления устройства. При прямом угле α или β соответствующая система координат становится ортогональной, а скорость и румб ветра вычисляются блоком 15 наиболее просто. При других значениях этих углов блок 15 может выполнить дополнительное преобразование координат.
Для сбора данных о ветровой обстановке в нескольких разнесенных точках может быть использован один общий блок 4, в оптоволоконный тракт 9 которого вводят датчики 3, размещенные в точках контроля. При этом источник электропитания необходим только для блока 4.