Ультразвуковой измеритель скоростей потока
Использование: в области оптического приборостроения и для измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра и может найти применение в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
Задача: обеспечение помехозащищенности и повышение точности измерения параметров ветра.
Сущность: в ультразвуковом измерителе скоростей потока, содержащем три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, при этом выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен двумя компараторами, тремя триггерами и узлом выделения третьего периода синусоид, при этом входы компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к узлу выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко второму входу второго триггера, ко второму входу первого триггера и ко второму входу третьего триггера,
кроме того, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, а выход третьего триггера подключен к первому входу второго триггера, причем выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра.
1 с.п. ф-лы; 3 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, а именно, к технике измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра и может быть использована в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
В настоящее время в практике метеорологического обеспечения полетов авиации широко используются датчики параметров ветра как винтокрылые, так и акустические анемометры.
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили винтокрылые датчики, в которых используются ветреные датчики, которые определяют скорость ветра по угловой скорости вращения, а направление - по расположению вертушек вдоль направления ветра благодаря наличию флюгеров [1, 2, 3].
В настоящее время стали применять для измерения скорости ветра и его направлений акустические анемометры [4], которые имеют преимущество, т.к. не содержат механически вращающихся элементов (вертушек и флюгеров), наличие которых сильно уменьшает надежность измерителей скорости ветра и его направлений.
К недостаткам известных технических решений можно отнести невозможность измерения вертикальной составляющей скорости ветра, что может привести к усложнению условий посадки воздушных судов.
Известен ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока [5], содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-
цифра, выход которого через блок деления подключен к первому блоку вычитания, синхронизатор и регистратор.
К недостаткам известного измерителя можно отнести его ограниченные возможности, т.к. он предназначен только для измерения скорости ветра, а такие параметры, как направление ветра и вертикальную составляющую ветра измерить невозможно.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой измеритель скоростей потока [6], который содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.
Каждый из каналов измерения скорости ветра включает по два обратимых электроакустических преобразователей, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания.
Выходы блоков вычитания связаны с вычислительным устройством.
Электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
К недостаткам известного измерителя скоростей потока можно отнести недостаточную помехозащищенность и точность измерения скоростей ветра по обоим направлениям и направление ветра.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение помехозащищенности и повышение точности измерения параметров ветра.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого ультразвукового измерителя скоростей потока, который, как и прототип, содержит три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя,
подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, при этом выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
В отличие от прототипа каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен двумя компараторами, тремя триггерами и узлом выделения третьего периода синусоид, при этом входы компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к узлу выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко второму входу второго триггера, ко второму входу первого триггера и ко второму входу третьего триггера, кроме того, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, а выход третьего триггера подключен к первому входу второго триггера, причем выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что благодаря введению в каждый из трех каналов измерения скорости ветра двух компараторов, трех триггеров и узла выделения третьего периода синусоид, достигнуто повышение помехозащищенности за счет высокого уровня срабатывания первого компаратора и точной фиксации нулевого значения третьего периода синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей, что приводит к повышению точности определения параметров ветра.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;
фиг.2 - взаимное расположение электроакустических преобразователей всех трех каналов в горизонтальной плоскости;
на фиг.3 - взаимное расположение электроакустических преобразователей всех трех каналов в вертикальной плоскости.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.
Каждый из каналов измерения скорости ветра включает по два обратимых электроакустических преобразователей 1I и 2I, 1II и 2II, 1III и 2III, подключенные через коммутатор 3I, 3II и 3III к передатчику 4I, 4II и 4III и приемнику 5I, 5II и 5III импульсных сигналов, первый компаратор 6I, 6II и 6III, второй компаратор 7I, 7II и 7III, первый триггер 8I, 8II и 8III, узел выделения третьего периода синусоид 9I, 9II, и 9III, второй триггер 10I, 10II и 10III, третий триггер 11I, 11II и 11III, преобразователь временной интервал-цифра 12I, 12II и 12 III, выход которого через блок деления 13I 13 II и 13III подключен к блоку вычитания 14 I, 14II и 14III.
Выходы блоков вычитания 14I, 14II и 14III связаны с вычислительным устройством 15.
Электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.
Входы первого компаратора 6I, 6II и 6III и второго компаратора 7I, 7II и 7III подключены к коммутатору 3I, 3II и 3III, выход первого компаратора 6I, 6II и 6 III подключен к первому входу первого триггера 8I , 8II и 8III, выход второго компаратора 7I, 7II и 7III подключен к узлу выделения третьего периода синусоид 9I, 9II и 9III, выход первого триггера 8I, 8 II и 8III, подключен ко второму входу узла выделения третьего периода
синусоид 9I, 9 II и 9III, выход которого подключен ко второму входу второго триггера 10I, 10II и 10 III, ко второму входу первого триггера 8I 8 II и 8III и ко второму входу третьего триггера 11I, 11II и 11III, кроме того, первый вход третьего триггера 11I, 11II и 11III подключен к коммутатору 3I, 3 II и 3III, а выход третьего триггера 11 I, 11II и 11III подключен к первому входу второго триггера 10I, 10II и 10 III, причем выход второго триггера 10I, 10 II и 10III подключен к преобразователю временного интервал-цифра 12I, 12II и 12III .
Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.
В каждом канале измерения скорости ветра электроакустические преобразователи 1I и 2 I, 1II и 2II, 1III и 2 III подключены через коммутатор 3I, 3II и 3III от передатчика импульсных сигналов 4I , 4II и 4III модулированы синусоидальным сигналом и приемника импульсных сигналов 5I, 5 II и 5III, которые поочередно работают на излучение и прием в прямом и обратном направлении.
Далее принимаемые сигналы поступают на первый компаратор 6I , 6II и 6III, который имеет порог срабатывания Un>0 и всегда больше шумового сигнала приемного канала и второго компаратора 7I, 7II и 7III, который имеет порог срабатывания Un =0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального сигнала.
Кроме того, с коммутатора 3I , 3II и 3III начало излучаемого импульса запускает третий триггер 11I, 11II и 11 III, который своим передним фронтом запускает второй триггер 10I, 10II и 10III, который формирует начало импульса длительности задержки за счет скорости ветра.
Далее с первого компаратора 6I, 6 II и 6III импульс поступает на первый триггер 8I, 8II и 8III с которого поступает на узел выделения третьего периода синусоидального сигнала 9 I, 9II и 9III, который пропускает со второго компаратора 7I, 7II и 7 III начало третьего периода с порогом
U n=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. И этот сигнал поступает на второй триггер 10I, 10 II и 10III, на второй вход которого и возвращает триггер нулевое состояние.
Таким образом, на выходе второго триггера 10I, 10II и 10III , формируется импульс, длительность которого временной задержки сигнала за счет скорости ветра плюс три периода излучаемого синусоидального сигнала, что обеспечивает высокую точность, т.к. первый компаратор 6I, 6II и 6III уровень срабатывания значительно выше шумового сигнала, а второй компаратор 7 I, 7II и 7III, обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1I и 2I, 1II и 2II, 1III и 2III.
Кроме того, сигнал, поступающий с выхода узла выделения третьего периода синусоид 9I , 9II и 9III, поступает на второй вход первого триггера 8I, 8II и 8II , и третий триггер 11I, 11II и 11III переводит их в исходное состояние до прихода следующего излучения.
Далее импульс, поступающий со второго триггера 10 I, 10II и 10III, равный времени задержки за счет скорости ветра и три периода синусоидального сигнала, который питает электроакустические преобразователи 1I и 2I, 1II и 2II, 1III и 2III, поступает на преобразователь временной интервал-цифра 12I, 12II и 12III получает разность времени прохождения сигнала ультразвука между прямым направлением и обратным в цифре. Далее через блок деления 13I, 13II и 13III поступает на блок вычитания 14I, 14II и 14III, где получают разность времени прохождения ультразвука в цифре между прямым направлением и обратным измерительной базы, это расстояние L между электроакустическими преобразователями 1I и 2I, 1II и 2II, 1III и 2III, базы равны.
Т.к. значение скорости звука в неподвижном воздухе за время измерения не меняется, то при вычитании оно исключается. Результирующая разность скорости определяется только ветровым сносом
импульсным ультразвуковым сигналом и не зависит от значений температуры воздуха и относительной влажности и атмосферного давления.
Далее эта разность поступает с трех каналов измерения скорости ветра и блоков вычитания на вычислительное устройство 15.
Электроакустические преобразователи попарно 1I и 2I, 1II и 2II , 1III и 2III образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, что позволяет в вычислительном устройстве 15 вычислять горизонтальную скорость и направление ветра, а также вертикальную компоненту скорости ветра по измеренным значениям скорости вдоль каждой из измерительных баз.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить дополнительное получение направления скорости ветра и возможность измерения вертикальной составляющей ветра в одном приборе с большей точностью, чем достигается повышение безопасности взлета и посадки воздушных судов путем повышения помехозащищенности за счет высокого уровня срабатывания первого компаратора 6I, 6II и 6III и точной фиксации нулевого значения третьего периода синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1I и 2I, 1II и 2II , 1III и 2III что позволяет повысить точность измерения параметров ветра.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 Российская Федерация, патент на изобретение 2030749, МПК: 6 G01P 5/01, 1995 г.
2 Российская Федерация, заявка на изобретение 93049075/28, МПК: 6 G01P 5/01, 1996 г.
3 Российская Федерация, патент на изобретение 2093835, МПК: 6 G01P 5/01, 1997 г.
4 Российская Федерация, патент на полезную модель 44391, МПК: 7 G01P 5/01, 2005 г.
5 Российская Федерация, авторское свидетельство на изобретение 1081544, МПК: G01P 5/00, G01F 1/66, 1984 г.
6 Российская Федерация, патент на полезную модель 77975, МПК: 7 G01P 5/01, 2008 г.- прототип.
Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, при этом выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом 30-60° в вертикальной плоскости, отличающийся тем, что каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен двумя компараторами, тремя триггерами и узлом выделения третьего периода синусоид, при этом входы компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к узлу выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко второму входу второго триггера, ко второму входу первого триггера и ко второму входу третьего триггера, кроме того, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, а выход третьего триггера подключен к первому входу второго триггера, причем выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра.