КОНСТРУКЦИЯ НЕСУЩЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО 3D-АНЕМОМЕТРА

Полезная модель относится к метеорологии, а именно к устройствам для измерения скорости воздушных потоков (скорости ветра).
Известны устройства для измерения скорости воздушных потоков ультразвуковым методом (ультразвуковые анемометры) [1, 2]. Принцип работы их основан на измерении времени пролета ультразвуковых импульсов через воздушную среду между акустическими излучателями и приемниками, которые посредством несущей арматуры размещены в контролируемой воздушной среде и образуют измерительный объем - открытое воздушное пространство, через которое проходят акустические оси попарно согласованных электроакустических преобразователей.
Одной из основных проблем, возникающих при конструировании ультразвукового анемометра, является необходимость создания несущей конструкции для поддержки в пространстве электроакустических преобразователей, которая сочетала бы в себе максимальную «ветровую прозрачность» и, одновременно, высокую механическую прочность. Первое условие необходимо для уменьшения погрешности измерений, обусловленной вносимым несущей арматурой искажением ветрового потока, второе - для уменьшения погрешности измерений, обусловленной изменением расстояний между ультразвуковыми излучателями и приемниками из-за возможных деформаций конструкции несущей арматуры под действием ударных и вибрационных нагрузок (данное требование имеет особую актуальность при конструировании переносных и бортовых ультразвуковых анемометров, подвергающихся в процессе эксплуатации интенсивным механическим воздействиям). Эти требования носят, как правило, взаимоисключающий характер, так как стремление уменьшить ветровое сопротивление конструкции приводит к уменьшению ее механической прочности и наоборот, увеличение механической прочности влечет за собой увеличение сечений элементов конструкции и снижает ее ветровую прозрачность. Особую трудность эта задача представляет в случаях конструирования ультразвуковых 3D-анемометров, измеряющих пространственный вектор скорости ветра (горизонтальную и вертикальную скорость ветра), поскольку в этом случае электроакустические преобразователи должны быть размещены в трехмерном пространстве.
Для решения этой задачи акустические преобразователи располагают в пространстве таким образом, что бы они и их несущая арматура, по возможности, были вынесены за пределы основных направлений ветрового потока, при этом избегают креплений акустических преобразователей консольного типа.
Известен также ультразвуковой анемометр, имеющий конструкцию несущей арматуры, которая выполнена в виде двух несущих колец, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и являющихся образующими сферы, ось которой совпадает с диаметрами колец, при этом электроакустические преобразователи закреплены непосредственно на этих кольцах в вершинах воображаемого куба, вписанного в эту сферу, а акустические оси попарно согласованных ультразвуковых излучателей и приемников проходят через центр сферы [3] (прототип).
В данной конструкции акустические оси электроакустических преобразователей имеют угол наклона в 45 градусов к направлению горизонтального ветрового потока, при этом корпуса электроакустических преобразователей находятся за пределами телесного угла, в котором движется ветровой поток, и практически, не искажают его (на практике, отношение величины горизонтальной составляющей скорости ветра к величине его вертикальной составляющей, как правило, существенно больше единицы, и угол между вектором измеряемого ветрового потока и горизонтальной плоскостью в преобладающем большинстве случаев не превышает ±45 градусов). Кроме того, конструкция не имеет консольных креплений, что делает ее устойчивой к воздействию ударных и вибрационных нагрузок.
i
Основным недостатком данной конструкции является то, что при измерении ветрового потока, направление которого лежит в плоскости несущих колец (четыре возможных направления ветра), несущие кольца (имеющие некоторую толщину d) создают затенение ветра на всей длине пути ультразвуковых импульсов L (i=1, 2, 3, 4), что приводит к искажению контролируемого ветрового потока и увеличению погрешности измерений скорости ветра.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение ветрового затенения измерительного объема ультразвукового термоанемометра элементами несущей арматуры при одновременном увеличении механической прочности конструкции.
Технический результат - уменьшение погрешностей измерения скорости ветра, обусловленных ветровым затенением измерительного объема элементами несущей арматуры электроакустических преобразователей и возможными деформациями конструкции под действием ударных и вибрационных нагрузок.
Технический результат достигается тем, что конструкция несущей арматуры ультразвукового 3D-анемометра, которая обеспечивает поддержку в пространстве 4-х пар электроакустических преобразователей, выполнена в виде двух соединенных вместе несущих колец. Кольца расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и являются образующими сферы, ось которой совпадает с диаметрами этих колец, при этом электроакустические преобразователи расположены в пространстве в вершинах воображаемого куба, вписанного в эту сферу, а их акустические оси проходят через центр сферы.
В отличие от прототипа в конструкцию два дополнительных горизонтальных несущих кольца, имеющих точки соединения с основными несущими кольцами так, что вершины воображаемого куба с расположенными в них электроакустическими преобразователями, установлены на дополнительных несущих кольцах в серединах дуг, ограниченных точками пересечения основных и дополнительных горизонтальных несущих колец.
На фиг. 1 приведен внешний вид предлагаемой конструкции несущей арматуры электроакустических преобразователей ультразвукового 3D-анемометра, который содержит электроакустические преобразователи 1…8, два основных кольца 9 и 10, два дополнительных кольца 11 и 12.
На фиг. 2 приведена геометрическая схема предлагаемой конструкции несущей арматуры электроакустических преобразователей ультразвукового 3 D-анемометра,
Устройство работает следующим образом: основой конструкции несущей арматуры электроакустических преобразователей служат два основных кольца 9 и 10, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях таким образом, что они являются образующими сферы, ось которой совпадает с диаметрами колец, но, в отличие от прототипа, в конструкцию введены два дополнительных кольца 11 и 12, расположенных во взаимно параллельных и пересекающих сферу плоскостях, при этом имеющих по четыре точки пересечения (соединения) с основными кольцами в вершинах воображаемого куба, вписанного в образованную основными кольцами сферу. Электроакустические преобразователи 1…8 установлены на этих дополнительных несущих кольцах в серединах дуг, ограниченных точками пересечения основных и дополнительных колец, и имеют точку пересечения акустических осей в центре вышеуказанной сферы. Таким образом, акустически согласованные пары электроакустических преобразователей расположены, как и в устройстве-прототипе, в вершинах воображаемого куба, вписанного в образованную основными кольцами сферу, но указанный куб повернут вокруг своей вертикальной оси на угол 45 градусов относительно прежнего положения.
В устройстве-прототипе ветровая тень от несущих колец 9 и 10 (Фиг. 1) при указанных выше направлениях ветра полностью ложится на акустическую ось одной из пары акустически сопряженных электроакустических преобразователей и оказывает максимальное возмущающее влияние на ветровой поток, регистрируемый соответствующим каналом ультразвукового 3D-анемометра, что приводит к дополнительной погрешности измерений вектора скорости ветра. В предлагаемой конструкции проекции несущих колец 9 и 10 на измерительный объем (ветровые тени несущих колец) пересекаются с акустическими осями электроакустических преобразователей под углами 45 градусов, что уменьшает их возмущающее влияние на ветровой поток в измерительном объеме и, соответственно, уменьшает погрешность измерений вектора скорости ветра (возмущению подвергается участок трассы L¡ между парой акустически сопряженных электроакустических преобразователей, длина которого X определяется (в геометрическом приближении) соотношением X=d/tg45°, где d - толщина элемента арматуры, из которого изготовлены несущие кольца 9 и 10).
Проведенные численные расчеты показывают, что для конкретной приведенной выше реализации конструкции (диаметр сферы, образованной основными несущими кольцами, составляет 210 мм, толщина элементов арматуры, из которого они изготовлены - 6 мм) дополнительная погрешность измерений вектора скорости ветра устройством-прототипом составляет 25%, в то время как в предлагаемом устройстве - не более 8%.
Помимо более высокой ветровой прозрачности предлагаемая конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей обладает большей по сравнению с прототипом механической прочностью, благодаря тому, что она имеет два дополнительных кольца 11 и 12, соединенных с основными кольцами 9 и 10 и образующих совместно с ними жестко связанную систему, имеющую в своей основе треугольные и трапецеидальные геометрические элементы. Такое техническое решение увеличивает механическую прочность конструкции ультразвукового 3D-анемометра и не приводит, как показано выше, к дополнительному ветровому затенению его измерительного объема.
ЛИТЕРАТУРА:
1. А.С. №481837 (SU) МПК G01P 5/06, Трехкомпонентный акустический анемометр [текст] / В.И. Иванов, И.В. Некрасов, А.Е. Орданович: заяв. МГУ №1869735/18-10, приоритет 08.01.73, опубл. 25.08.75 Бюл. №31.
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. А.А. Азбукин, А. Я. Богушевич, А.А. Кобзев, В.А. Корольков, А.А. Тихомиров, В.Д. Шалевой. Автоматические метеостанции АМК-03 и их модификации. // Датчики и системы, 2012, с. 47-52.