АКУСТИЧЕСКИЙ АНЕМОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, и может быть использовано в метеорологии и геофизике.
Известен акустический измеритель скорости потока газов в трубах [1], основанный на измерении разности времен прихода излучаемого акустического сигнала к датчикам, расположенным по и против потока газа.
Измеритель содержит акустическую систему в виде излучателя звуковых сигналов и микрофонов в качестве детекторов звука, которые размещаются в измерительной трубе на определенном расстоянии друг от друга, а также генератор акустических сигналов, посредством которого сигналы подаются на звуковой излучатель, и коррелятор, на который поступают сигналы от микрофонов. В качестве акустического сигнала применяется непрерывный тональный сигнал, для вычисления разности времени прихода применен корреляционный вычислитель, а для вычисления скорости потока газа необходимо знание скорости распространения звука в заданной газовой среде. Скорость распространения звука табулируется в зависимости от температуры газа, поэтому известный прибор снабжен датчиком температуры. Однако, данный измеритель используют только для измерения скорости потока, а необходимость априорного знания скорости звука существенно усложняет как конструкцию устройства, так и алгоритм его функционирования.
Известно устройство для определения величины и направления вектора воздушного потока [2], состоящее из 3-х ультразвуковых зондов и температурного датчика в комбинации с электронным вычислительным контуром для вывода сигналов воздушного движения, показывающим величину и направление, по крайней мере, на трех координатных осях.
Устройство содержит на одной центральной стойке три ультразвуковых излучателя, расположенных под углом 120°, и три приемника напротив каждого излучателя на своей стойке, а разница времен прихода определяется по высокоскоростным часам. Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.
Известен акустический анемометр [3], состоящий из вычислительного устройства для задания и обработки сигналов и датчика температуры, соединенного с ним, генератора электрических сигналов, излучателя и приемников акустических сигналов, установленных на поддерживающей структуре и расположенных на равных расстояниях от излучателя.
В качестве генератора используют генератор коротких импульсных сигналов, излучатель и приемники акустических сигналов расположены в одной плоскости, а поддерживающая структура выполнена в виде прямого креста, в центре которого установлен излучатель, а на концах размещены акустические приемники, при этом излучатель дополнительно снабжен усилителем мощности, а приемники предварительными усилителями.
Однако серьезные недостатки конструкции и алгоритма функционирования известного акустического анемометра приводят к грубым ошибкам измерений и существенным затруднениям его практической реализации.
Известен акустический анемометр [4], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков приемников акустического сигнала, расположенных на поддерживающей структуре на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, устройства коммутации, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, и четырех виброизоляторов, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, первый выход которого подключен к другому входу вычислительного устройства, а его второй выход подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы и наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между приемопередатчиками одной оси деленную на тангенс угла наклона приемопередатчиков.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести низкую точность измерений, обусловленная ограниченным быстродействием электроакустических преобразователей, усилителя и генератора известного устройства и наличием задержек при излучении и приеме ультразвукового сигнала.
Известен акустический анемометр [5], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а так же второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести повышенные габариты, потребляемую мощность, низкую помехозащищенность и точность измерений, обусловленных воздействием составляющей акустического сигнала и электрического сигнала передающего обратимого акустического приемопередатчика на принимающий акустический приемопередатчик.
Известен акустический анемометр [6],состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а так же второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, вторая поддерживающая структура соединена с первой поддерживающей структурой, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор, его рабочая поверхность совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков и параллельна плоскости первой поддерживающей структуры, при этом центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, выход приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя.
Существенным недостатком известного акустического анемометра является ограничение верхнего диапазона измерений и наличие грубых ошибок из-за воздействия внешних акустических помех. Источниками внешних акустических помех являются аэродинамические трубы, в которых проводят калибровку и поверку измерителей скорости потока газов, а так же оборудование и летательные аппараты в местах эксплуатации акустического анемометра. Уровень звукового давления внешних акустических помех может достигать 90 Дб и более. При этом акустический приемник известного устройства преобразует эти помехи в электрический сигнал, который искажает рабочий электрический сигнал, создаваемый акустическим сигналом обратимого приемопередатчика, что приводит к грубым ошибкам или к потере работоспособности известного акустического анемометра.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является акустический анемометр [7], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а так же предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена со второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность приемника акустического сигнала обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков, а ее центр удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, выход первого приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя, при этом второй приемник акустического сигнала установлен на первую поддерживающую структуру через второй дополнительный виброизолятор вне пределов диаграммы излучения обратимых акустических приемопередатчиков, поверхность второго дополнительного виброизолятора совмещена с поверхностью первой поддерживающей структуры, рабочая поверхность второго приемника акустического сигнала обращена в сторону первого приемника акустического сигнала, при этом центры рабочих поверхностей первого и второго приемников акустического сигнала лежат на одной оси связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выход второго приемника акустического сигнала соединен с входом инвертирующего усилителя, второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом предварительного усилителя, выход суммирующего усилителя подключен к вычислительному устройству.
К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести недостаточные помехозащищенность, точность и надежность измерений, сложность конструкции акустического анемометра и его производства.
Это связано с тем, что для полного подавления воздействия внешних акустических помех при его калибровке и эксплуатации необходимо обеспечение совпадения фаз и амплитуд гармоник акустических помех, воздействующих с разных направлений (в том числе и через элементы конструкции) на первый и второй приемники акустического сигнала. Это практически сложно обеспечить применением дополнительных устройств компенсации, что снижает надежность известного акустического анемометра и достоверность измерений.
a
c
a
c
Кроме того, опыт эксплуатации известных акустических анемометров показывает, что максимальный уровень акустических помех сосредоточен в диапазоне от 15 кГц до 90 кГц. Следует отметить, что измеряемый газовый поток отклоняет излучаемый ультразвуковой сигнал от центра рабочей поверхности первого приемника акустического сигнала на величину δ, определяемую соотношением δ=V⋅L/V, где δ - величина отклонения; V - скорость газового потока; L - расчетная длина измерительной базы; V - скорость ультразвука в воздухе.
c
a
Так при расчетной длине измерительной базы L=50 мм, скорости ультразвука в воздухе V=3 30 м/с и скорости газового потока V=70 м/с величина отклонения δ будет равна 10.6 мм. В результате отклонения излучаемого акустического сигнала при повышенных скоростях газового потока будет приводить к его смещению за пределы диаграммы направленности приемника акустического сигнала и к значительному ослаблению уровня принимаемого сигнала, следовательно, к потере работоспособности известного акустического анемометра.
Следует так же отметить, что конструкция известного акустического анемометра должна обеспечивать высокую точность взаимного расположения обратимых акустических приемопередатчиков, первого и второго приемника акустического сигнала, что существенно усложняет конструкцию и процесс изготовления известного акустического анемометра.
Указанные недостатки создают серьезные затруднения в разработке и изготовлении компактных ультразвуковых измерителей для скоростей потока 30 м/с и более и ограничивают их эксплуатационные характеристики.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение помехозащищенности, точности и надежности измерений, упрощение конструкции акустического анемометра и его производства, расширение диапазона измерений и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого акустического анемометра, который, как и прототип, состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а так же предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через первый дополнительный виброизолятор так, что поверхность первого дополнительного виброизолятора совмещена со второй поддерживающей структурой, рабочая поверхность приемника акустического сигнала обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков, а ее центр удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков.
c
c
В отличие от прототипа в акустический анемометр дополнительно введены полосовой фильтр, четыре плоско-выпуклые акустические линзы, причем акустические приемопередатчики и приемник акустического сигнала выполнены высокочастотными, средняя частота полосового фильтра равна резонансной частоте обратимых акустических приемопередатчиков и приемника акустического сигнала, вход полосового фильтра подключен к выходу приемника акустического сигнала, его выход подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к вычислительному устройству, акустические линзы выполнены плоско-выпуклыми, установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcSin(d*(1-V/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде.
c
c
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению полосового фильтра, средняя частота которого равна резонансной частоте обратимых акустических приемопередатчиков и приемника акустического, выполненных высокочастотными, четырех акустических линз, при чем вход полосового фильтра подключен к выходу приемника акустического сигнала, его выход подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к вычислительному устройству, акустические линзы выполнены плосковыпуклыми и установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcSin(d*(1-V/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде, и их взаимодействием с остальными элементами устройства, позволило использовать малогабаритные высокочастотные обратимые акустические передатчики, имеющие узкую диаграмму излучения, и обеспечить повышение защищенности от внешних акустических помех в широком диапазоне частот при калибровке и эксплуатации предлагаемого акустического анемометра, а так же расширить диапазон и стабильность измерений, а так же существенно снизить требования к уровню акустических шумов оборудования для калибровки предлагаемого акустического анемометра, что снижает стоимость этого оборудования и, следовательно, расходы на процесс аттестации предлагаемого акустического анемометра.
Кроме того, использование высокочастотных приемника и акустических передатчиков позволило повысить точность регистрации времени движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала и точность измерения скорости воздушного потока.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема акустического анемометра, а на фиг. 2 и 3 - представлена схема расположения обратимых акустических приемопередатчиков, акустических линз, приемника акустического сигнала, второй поддерживающей структуры, виброизоляторов относительно первой поддерживающей структуре, на которой оси X, Y, Z образуют связанную прямоугольную систему координат XYZ.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
c
c
Акустический анемометр состоит из вычислительного устройства 1, подключенных к нему датчика температуры 2, генератора электрических сигналов 3, последовательно соединенных полосового фильтра 4 и предварительного усилителя 5, устройства коммутации 6, последовательно соединенных согласующего устройства 7, дифференцирующего устройства 8 и первого компаратора 9, а так же второго компаратора 10 и триггера 11 и двух пар обратимых акустических приемопередатчиков 12, 12, 12 и 12, выполненных высокочастотными и установленных на поддерживающей структуре 13 через виброизоляторы 14, 14, 14 и 14, приемника акустического сигнала 15, установленного на второй поддерживающей структуре 16 через дополнительный виброизолятор 17, соединенной с первой поддерживающей структурой 13, и четырех акустических линз 18, 18, 18, 18, установленных соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика 12, 12, 12 и 124, выходы которых подключены к входам устройства коммутации 6, первый выход которого соединен с входом согласующего устройства 7, выход приемника акустического сигнала 15 подключен к входу предварительного усилителя 5, выход генератора 3 подключен к другому входу устройства коммутации 6, управляющий вход устройства коммутации 6 подключен к вычислительному устройству 1, вход второго компаратора 10 соединен с выходом дифференцирующего устройства 8, а его выход подключен к первому входу триггера 11, выход которого подключен к второму входу первого компаратора 9, вход согласующего устройства 7 подключен к первому выходу коммутатора 6, а выход первого компаратора 9 одновременно подключен к второму входу триггера 11 и к другому входу вычислительного устройства 1, акустические приемопередатчики 12, 12, 12 и 12 расположены на поддерживающей структуре 13 на равных расстояниях L/2 от центра осей связанной системы координат XYZ, установлены в одной плоскости XY на поддерживающую структуру 13 через виброизоляторы 14, 14, 14 и 14 и наклонены в вертикальной плоскости к оси Z (навстречу друг к другу) на одинаковые углы α, вторая поддерживающая структура 16 соединена с первой поддерживающей структурой 13, приемник акустического сигнала 15 установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор 17, его рабочая поверхность обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков 12, 12, 12 и 12, совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры и параллельна плоскости первой поддерживающей структуры 13, центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала 15 удален от центра осей связанной системы координат XYZ, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры 13, на высоту, Н, определяемую соотношением Н=0.5L/tgα, акустические линзы выполнены плосковыпуклыми, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcSin(d*(1-V/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде.
В качестве вычислительного устройства применяют, например, микроконтроллер серии AtmelMega AVR, имеющий встроенный аналогово-цифровой преобразователь и таймеры, позволяющие осуществить как оцифровку поступающих на входы сигналов, так и измерение времени прохождения акустических импульсов от излучателя к приемникам.
1
2
3
4
В качестве обратимых акустических приемопередатчиков 12, 12, 12 и 12, и приемника акустического сигнала 15 целесообразно использовать специализированные малогабаритные высокочастотные акустические передатчики и приемники акустического сигнала с рабочей частотой не менее 100 кГц, имеющие небольшие габариты и диаграмму излучения 10-20 градусов, например, пьезокерамические преобразователи фирмы MURATA, в качестве датчика температуры, например, термометр сопротивления.
Первая 13 и вторая 16, поддерживающие структуры представляют собой, например, прямоугольные или круглые металлические пластины. При этом, вторая поддерживающая структура 16 устанавливается симметрично и параллельно поддерживающей структуре 13.
1
2
3
4
Виброизоляторы 14, 14, 14 и 14, а так же дополнительный виброизолятор 17 отличаются конструктивно, но изготавливаются на основе звукопоглащающих материалов и обеспечивают защиту приемника акустического сигнала от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции от приемопередатчиков.
1
2
3
4
c
c
1
2
3
4
1
2
3
4
Акустические линзы 18, 18, 18, 18 предназначены для изменения угла расходимости фронта акустического сигнала, обеспечиваемого разностью хода различных областей фронта рабочего акустического сигнала за счет переменной толщины акустической линзы, определяемой ее радиусом кривизны R, и значительной разностью (более 20 раз) скоростей акустического сигнала в воздухе и в материале акустической линзы. Угол раскрытия акустической линзы определяется соотношением Ω=arcSin(d*(1-V/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде. Акустические линзы изготавливаются из материала, скорость звука в котором должна быть практически равной скорости звука в материале рабочей поверхности обратимого акустического приемопередатчика 12, 12, 12 и 12. Установка акустических линз на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика 12, 12, 12 и 12 должна производиться с помощью эпоксидных клеев. Угол раскрытия акустических линз должен выбираться в зависимости от конструктивных параметров анемометра и превышать в два-три раза угол диаграммы излучения обратимого приемопередатчика.
Устройство коммутации 6 предназначено только для последовательного подключения своих входов к одному выходу и может быть реализовано на основе широкой номенклатуры МОП-ключей и интегральных дешифраторов, например, серий 590, 591 и др.
1
2
3
4
Согласующее устройство 7 обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков 12, 12, 12 и 12 до рабочих значений операционных усилителей и интегральной логики и может быть реализовано, например, на частотнокомпенсированных делителях напряжения. Остальные устройства (дифференцирующее устройство 8, компараторы 9 и 10, триггер 11, а так же полосовой фильтр 4 с полосой пропускания не более 10 кГц со средней частотой, равной рабочей частоте обратимых акустических передатчиков, и предварительный усилитель 5) могут быть реализованы на основе широкой номенклатуры элементов аналоговой и цифровой техники, например, серий 1533, 564 и др.
Компоновка акустического анемометра конкретными составляющими элементами зависит от предъявляемых требований к анемометру и области его дальнейшего использования, в том числе и от требуемой точности измерений векторов скорости потока.
Заявляемый анемометр работает следующим образом.
Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направления.
1
2
3
4
1
1
1
1
При отсутствии внешних акустических помех, например, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием при калибровке предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, вычислительное устройство 1 вырабатывает последовательность сигналов, поступающих одновременно на входы генератора 3 и устройства коммутации 6. Устройство коммутации 6 с каждым управляющим сигналом проводит последовательно переключение приемопередатчиков 12, 12, 12 и 12 каждой координатной оси к выходу генератора 3, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего приемопередатчика соответствующей пары к приемнику акустического сигнала 15. Одновременно генератор 3 по каждому управляющему сигналу вычислительного устройства 1 генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые возбуждают подключенный к нему в этот момент приемопередатчик, например 12, который формирует акустический сигнал в угле расходимости диаграммы излучения обратимого приемопередатчика 12. Одновременно электрический сигнал генерирующего приемопередатчика, например, 12 через первый выход устройства коммутации 6 поступает через согласующее устройства 7, которое обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков до рабочих значений операционных усилителей, на вход дифференцирующего устройства 8, которое на своем выходе формирует сигнал, огибающая которого содержит положительную и отрицательную составляющие. При этом первый максимум электрического сигнала генерирующего приемопередатчика, например, 12 соответствующий началу формирования и излучения акустического сигнала совпадает с моментом перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 8 через нулевой уровень. Положительным фронтом выходного сигнала дифференцирующего устройства 8 с уровнем Uпор=Ua запускается второй компаратор 9, переключающий триггер 11 в единичное состояние, разрешающее работу первого компаратора 9.
1
1
1
1
1
c
c
1
Компаратор 9 с уровнем Uпор=0 в момент перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 8 через нулевой уровень формирует сигнал, который одновременно поступает на другой вход вычислительного устройства 1 и на второй вход триггера 11, который переключает триггер 11 в нулевое состояние, запрещающее работу первого компаратора 9. В результате, на выходе первого компаратора 9 формируется короткий сигнал, фронт которого совпадает с моментом начала излучения акустического сигнала, запускающий отсчет времени движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала 15, исключая влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала, на точность измерений. Излученный передающим приемопередатчиком акустический сигнал, например 12, поступает на акустическую линзу, например 18 соосно установленную на излучающую поверхность приемопередатчика 12. Акустическая линза 18 в соответствии с принципом ее работы расширяет угол диаграммы проходящего через нее акустического сигнала от приемопередатчика 12 до расчетного значения. Этот угол определяется соотношением Ω=arcSin(d*(1-V/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде. Прошедший акустическую линзу 18 акустический сигнал, распространяясь под углом а к приемнику акустического сигнала 15, в зависимости от уровня измеряемого ветрового потока может отклоняться, как это отмечалось ранее, от центра приемника акустического сигнала 15 за пределы его рабочей площадки, что приводило бы к нестабильности измерений или к потере работоспособности предлагаемого анемометра при использовании высокочастотного приемопередатчика без сопряженной с ним акустической линзы. Однако применение в этом случае акустической линзы обеспечивает перекрытие акустическим сигналом рабочей площадки приемника акустического сигнала 15.
1
Последний преобразует его в электрический сигнал, поступающий на вход полосового фильтра 4, полоса пропускания которого согласована с частотными характеристиками приемопередатчика 12 и приемника акустического сигнала 15. Этот сигнал проходит через фильтр 4 на вход предварительного усилителя 5 без ослабления, усиливается предварительным усилителем 5 и поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени tx1 движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала 15.
3
Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится включение второго приемопередатчика, например 12, в режим передачи и производится процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала 15 в обратном направлении аналогично описанному выше.
2
4
Подобным образом производится определение времени движения акустического сигнала от каждого из приемопередатчика 12 и 12 по оси Y в прямом ty1 и обратном ty2 направлениях до приемника акустического сигнала 15.
При возникновении внешних акустических помех, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием в процессе калибровки предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, эти помехи воздействуют на приемник акустического сигнала 15. В результате на его выходе вырабатывается электрический сигнал, уровень которого пропорционален линейной суперпозиции уровней рабочего акустического сигнала и акустической помехи, поступающий на вход полосового фильтра 4. Учитывая, что чувствительность приемника акустического сигнала 15 максимальна на резонансной частоте, расположенной за пределами диапазона внешних акустических помех, то уровень, вносимый рабочим акустическим сигналом в суммарный выходной сигнал приемника акустического сигнала 15, будет более чем в несколько раз превышать уровень, вносимый акустической помехой. При прохождении этого сигнала через фильтр 4 происходит дополнительное ослабление сигнала помехи и их гармоник, что обеспечивает надежную помехозащищенность предлагаемого анемометра. Отфильтрованный сигнал поступает на вход предварительного усилителя 5, усиливается им и поступает на вход вычислительного устройства 1, которое прекращает процесс измерения время движения акустического сигнала от каждого приемопередатчика 12 (в прямом t1 и обратном t2 направлениях) до приемника акустического сигнала 15 в описанных выше случаях при отсутствии воздействия внешних акустических помех, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием при калибровке предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации.
При наличии газового потока V проекции вектора его скорости на оси связанной системы координат будут Vx и Vy, соответственно. Обозначая скорость распространения звука как Va, расстояние от излучающего премопередатчика до приемника акустического сигнала 15 L/2cosα и проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx, получаем систему уравнений, связывающую время распространения акустического импульса вдоль осей связанной системы координат (например, вдоль оси X), в виде:
.
Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx.
Решением аналогичных уравнений для пары приемников, расположенных вдоль оси Y являются параметры Va и Vy.
После получения вышеназванных параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V как
2
2
2
V=Vx+Vy
и угол направления ветра β в связанной системе координат как
β=arcos(Vy/ V),
а также атмосферное давление Р как функцию скорости звука Va и температуры Т, постоянно измеряемую датчиком температуры
P=F(V,Т).
Функции расчетов всех вышеуказанных параметров возлагаются на вычислительное устройство 1.
Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного акустического анемометра позволяет обеспечить эффективную защиту от внешних акустических помех, расширить верхний диапазон измерений и существенно улучшить эксплуатационные характеристики за счет исключения негативного воздействия внешних акустических помех на принимаемый сигнал, а также существенно снизить требования к уровню акустических шумов оборудования для калибровки предлагаемого акустического анемометра, что снижает стоимость этого оборудования и, следовательно, расходы на процесс аттестации предлагаемого акустического анемометра, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.
Кроме того, использование высокочастотных приемника и акустических передатчиков позволило повысить точность регистрации времени движения акустического сигнала до приемника акустического сигнала и, следовательно, точность измерения скорости воздушного потока.
ИСТОЧНИКИИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент на изобретение №5421212, МПК: G01P 5/01, опубл. 06.06.1995.
2. США, патент на изобретение №4038870, МПК: G01P 5/01, опубл. 02.08.1977.
3. Российская Федерация, патент на полезную модель №44391 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.03.2005
4. Российская Федерация, патент на полезную модель №153990 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.08.2015 г.
5. Российская Федерация, патент на полезную модель №160408 МПК: G01P 5/01, опубл. 20.03.2015 г.
6. Российская Федерация, патент на полезную модель №164305 МПК: G01P 5/01, опубл. 27.08.2016 г.
7. Российская Федерация, патент на полезную модель №169800 МПК: G01P 5/01, опубл. 03.04.2017 г. - прототип.