Измеритель состояния атмосферы

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно к технике измерения параметров воздушного потока, в частности предназначена для измерения температуры воздуха в зоне ультразвукового измерения скорости и направления горизонтального воздушного потока, и может быть использована в составе объектов различного назначения, в том числе для метеостанций в составе систем экологического мониторинга и объектов спецтехники эксплуатирующихся 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, после погружение в воду на глубину 7 метров.
Известны устройства для измерения температуры воздуха в зоне ультразвукового измерения воздушных потоков [1, 2]. Измерение температуры обеспечивается ультразвуковым методом за счет определения мгновенного значения скорости звука, зависящей от температуры воздуха, или отдельными датчиками температуры.
Известно устройство «Прибор метеорологический автоматизированный» [3]. Он содержит датчик температуры воздуха, трехкоординатный ультразвуковой анемометр и другие датчики - датчик атмосферного давления, относительной влажности, температуры почвы, электромагнитный компас и пульт оператора.
Недостатком известного прибора метеорологического автоматизированного является расположение датчика температуры воздуха в нижней части устройства, вне зоны измерения скорости воздушного потока, и 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 на встречу 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 измерения температуры воздуха с использованием ультразвукового метода, не обеспечивающий достоверное измерение температуры воздуха в случае значительного загрязнения зоны ультразвукового измерения, и 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 также 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 к 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.
Практическая реализация известного акустического анемометра не определяет способа измерения температуры воздуха и места расположения датчика температуры в составе устройства. Недостатком устройства, влияющим на измерение температуры воздуха и параметров воздушного потока, является схема расположения приемопередатчиков на поддерживающей структуре, требующая 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.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение эксплуатационных режимов работы устройства 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, после погружение в воду на глубину 7 метров, за счет измерения температуры воздушного потока в зоне ультразвукового измерения скорости и направления воздушного потока при ее значительном загрязнении.
Выполнение поставленной задачи обеспечивается устройством, состоящим из датчика температуры, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, расположенных на корпусе - поддерживающей структуре, на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной поддерживающей структуре, четырех виброизоляторов, причем акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, акустического отражателя, отличающийся тем, что датчик температуры установлен в корпусе между акустическими приемопередатчиками на равноудаленном расстоянии от осей акустических приемопередатчиков, при этом оси датчика температуры и акустических приемопередатчиков параллельны и направлены вниз к отражателю, установленному на основание, 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 устройства, где:
1 - корпус;
2 - основание,
3 - две стойки с внутренними отверстиями для монтажа проводов,
4 - две стойки без внутренних отверстий,
5 - четыре обратимых акустических приемопередатчика,
6 - четыре виброизолятора,
7 - акустический отражатель;
8 - датчик температуры.
Схема состоит из датчика температуры 8, расположенного на равноудаленном расстоянии от осей четырех акустических приемопередатчиков 5 установленных в корпусе 1 через виброизоляторы 6. Основание 2, расположенное параллельно поверхности корпуса 1, соединено с корпусом двумя стойками с внутренними отверстиями для монтажа проводов 3 и двумя стойками без внутренних отверстий 4, отражатель 7 установлен на основании 2 так, чтобы параллельные акустические оси датчиков 5 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 (корпус), датчик температуры установлен на верхней поверхности. Предложенная установка датчика температуры снижает возможность загрязнения его и ультразвуковых датчиков пылью, грязью и уменьшает риск повреждения датчиков при очистке их поверхности. Расположение датчика температуры не оказывает существенного влияния на неоднородность воздушного потока в зоне ультразвукового измерения.
Моделирование распределения воздушных потоков в зоне измерения температуры и параметров ветра, а также экспериментальные данные показали, что приведенная выше конструкция (расстояние между датчиком температуры и осями ультразвуковых датчиков 15 мм, между акустически связанными парами ультразвуковых датчиков 30 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 температуры воздуха ±3°С в диапазоне изменения температуры от минус 50°С до 65°С при сохранении точности измерения скорости и направления горизонтального воздушного потока.
Помимо стойкости к механическим факторам, конструкция обеспечивает вандалостойкость устройства, не меняет свою геометрию и позволяет сохранять точностные характеристики измерения температуры воздуха, а также скорости и направления ветра, во время и после механических ударов по устройству без дополнительных режимов калибровки.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить измерение температуры воздуха в зоне ультразвукового измерения скорости и направления воздушного потока при ее значительном загрязнении, расширить эксплуатационные режимы работы устройства в части измерения температуры воздуха, скорости и направления 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, после погружение в воду на глубину 7 метров.
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.