Ультразвуковой измеритель скоростей потока

Использование: в приборостроении для измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра, а также в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.

Задача: 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, два компаратора, входы которых подключены к коммутатору, три триггера и узел выделения третьего периода синусоид, при этом выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен к второму входу второго триггера и к второму входу третьего триггера, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, 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 последовательно соединенными согласующим устройством, третьим компаратором и счетчиком, четвертым триггером и ключевым устройством, при этом выход счетчика одновременно подключен к второму входу ключевого устройства и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен со вторым входом счетчика, а второй вход соединен с выходом узла выделения третьего периода синусоид, первый вход ключевого устройства подключен к выходу третьего компаратора, а его выход - к первому входу второго триггера, вход согласующего устройства соединен с первым входом третьего компаратора.

1 н.п. ф-лы; 2 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.

Известен 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 блока вычитания каждого канала измерения 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 низкую точность измерения горизонтального и вертикального составляющих скоростей ветра и направления ветра.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой измеритель скоростей потока [7], содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает 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, 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.

К недостаткам известного ультразвукового измерителя скоростей потока можно отнести существенную зависимость точности измерений от технологического разброса некоторых параметров электроакустических преобразователей, зависящих от внешних факторов, например, от температуры окружающего воздуха.

В известном устройстве время задержки t_ЗИ ультразвукового сигнала, определяемое скоростью ветра равно:

где t₁, t₂ - измеренное время прохода ультразвукового сигнала в прямом и обратном направлении.

В соответствии с алгоритмом функционирования измерительных каналов в известном устройстве время t_i, i={1,2} равно

где t_0i - истинное время задержки ультразвукового сигнала, определяемое только скоростью ультразвука и скоростью ветра в i-ом направлении;

где T_i и f_i соответственно период и действительная частота генерации соответствующего акустического преобразователя, a i=1,2 - номер акустического преобразователя.

Добавляя отношение (2) в уравнение (1) имеем:

В уравнении (3) первое слагаемое соответствует действительному времени задержки, определяющее скорость ветра, а второе - является погрешностью измерений, которая сильно зависит от разности резонансных частот электроакустических преобразователей. Учитывая, что расчеты горизонтальной и вертикальной составляющих ведутся по результатам измерений 3-х пар измерительных баз, то погрешности измерений могут быть чрезвычайно большими.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является 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, два компаратора, входы которых подключены к коммутатору, три триггера и узел выделения третьего периода синусоид, при этом 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 и к второму входу третьего триггера, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, 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 последовательно соединенными согласующим устройством, третьим компаратором и счетчиком, четвертым триггером и ключевым устройством, при этом выход счетчика одновременно подключен ко второму входу ключевого устройства и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен со вторым входом счетчика, а второй вход соединен с выходом узла выделения третьего периода синусоид, первый вход ключевого устройства подключен к выходу третьего компаратора, а его выход - к первому входу второго триггера, вход согласующего устройства соединен с первым входом третьего компаратора.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению в каждый из трех каналов измерения скорости ветра согласующего устройства, компаратора, счетчика, триггера и ключевого устройства, достигнута независимость измерения от разброса собственных резонансных частот электроакустических преобразователей и их зависимости от влияния окружающей среды, что приводит к повышению точности определения параметров ветра и обеспечения высокой технологичности изготовления ультразвуковых измерителей, стабильности и повторяемости градуировочных характеристик.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на

фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;

фиг.2 - временные диаграммы взаимодействия узлов.

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 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, подключенные через коммутатор 3₁, 3_II и 3_III к передатчику 4_I, 4_II и 4_III и приемнику 5_I, 5_II и 5_III импульсных сигналов, первый компаратор 6_I, 6_II и 6_III, второй компаратор 7_I, 7_II и 7_III, первый триггер 8_I, 8_II и 8_III, узел выделения третьего периода синусоид 9_I, 9_II и 9_III, второй триггер 10_I, 10_II и 10_III, третий триггер 11_I, 11_II и 11_III, последовательно соединенные согласующее устройство 12_I, 12_II и 12_III, третий компаратор 13_I, 13 _II и 13_III, и счетчик 14_I, 14 _II и 14_III, четвертый триггер 15_I , 15_II и 15_III, ключевое устройство 16 _I, 16_II и 16_III, преобразователь временной интервал-цифра 17_I, 17_II и 17 _III, выход которого через блок деления 18_I, 18_II и 18_III подключен к блоку вычитания 19_I, 19_II и 19_III.

Выходы блоков вычитания 19_I, 19_II и 19 _III связаны с вычислительным устройством 20.

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 6_I, 6_II и 6_III, и второго компаратора 7_I, 7 _II и 7_III, подключены к коммутатору 3_I , 3_II и 3_III, выход первого компаратора 6_I, 6_II и 6_III, подключен к первому входу первого триггера 8_I, 8_II и 8_III, выход второго компаратора 7_I, 7 _II и 7_III, подключен к узлу выделения третьего периода синусоид 9_I, 9_II и 9_III , выход первого триггера 8_I, 8_II и 8 _III, подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид 9_I, 9_II и 9_III , выход которого подключен ко второму входу второго триггера 10_I, 10_II и 10_III, ко второму входу первого триггера 8_I, 8_II и 8 _III, ко второму входу третьего триггера 11_I, 11_II и 11_III, и ко второму входу четвертого триггера 15_I, 15_II и 15_III, кроме того, первый вход третьего триггера 11_I, 11 _II и 11_III, подключен к коммутатору 3_I , 3_II и 3_III, а выход третьего триггера 11_I, 11_II и 11_III, через ключевое устройство 16_I, 16_II и 16_III , подключен к первому входу второго триггера 10_I, 10_II и 10_III, причем выход второго триггера 10_I, 10_II и 10_III, подключен к преобразователю временного интервал-цифра 12_I, 12 _II и 12_III, причем выход счетчика 14_I , 14_II и 14_III, одновременно подключен ко второму входу ключевого устройства 16_I, 16 _II и 16_III, и к первому входу четвертого триггера 15_I, 15_II и 15_III, выход которого соединен со вторым входом счетчика 14_I, 14_II и 14_III, а вход согласующего устройства 12_I , 12_II и 12_III, с первым входом третьего триггера 11_I, 11_II и 11_III.

Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.

В каждом канале измерения скорости ветра электроакустические преобразователи 1_I и 2 _I, 1_II и 2_II, 1_III и 2 _III подключены через коммутаторы 3_I, 3_II и 3_III, к передатчику импульсных сигналов 4_I , 4_II и 4_III, модулированы синусоидальным сигналом к приемнику импульсных сигналов 5_I, 5 _II и 5_III, которые поочередно работают на излучение и прием в прямом и обратном направлениях.

Далее принимаемые сигналы U₅ (см. фиг.2) поступают на первый компаратор 6_I, 6_II и 6_III, который имеет порог срабатывания U_n>0 и всегда больше шумового сигнала приемного канала и второго компаратора 7_I, 7_II и 7_III, который имеет порог срабатывания U_n=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала U₅.

Кроме того, с коммутатора 3_I, 3_II и 3 _III, начало излучаемого импульса U₄ запускает третий триггер 11_I, 11_II и 11_III , сигнал U₁₁ которого поступает на вход закрытого ключевого устройства 16_I, 16_II и 16 _III.

Одновременно излучаемый импульс U ₄ поступает на вход согласующего устройства 12_I , 12_II и 12_III, которое выделяет синусоидальную составляющую импульса генерации U₁₂, поступающего на вход третьего компаратора 13_I, 13_II и 13_III, который имеет порог срабатывания U_n =0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального составляющей излучаемого сигнала U₄.

Далее выходной импульс U₁₃ третьего компаратора 13 _I, 13_II и 13_III, поступает на вход счетчика 14_I, 14_II и 14_III, который формирует выходной сигнал U₁₄, соответствующий третьему периоду излучаемого импульса U₄, открывающий ключевое устройство 16_I, 16_II и 16 _III.

Сигнал U₁₁ с выхода третьего триггера 11_I, 11_II и 11_III, через открытое ключевое устройство 16_I, 16_II и 16_III, поступает на первый вход второго триггера 10_I, 10_II и 10_III и устанавливает его в единичное состояние, начиная формирование сигнала U ₁₀ временного интервала прохода ультразвукового сигнала с задержкой на 3 периода излучаемой частоты f_i, i={1,2}.

Одновременно сигнал U₁₄ с выхода счетчика 14_I, 14_II и 14_III, переключает четвертый триггер 15_I, 15_II и 15_III , который своим входным сигналом U₁₅ запрещает работу счетчика 14_I, 14_II и 14_III.

Далее с первого компаратора 6_I, 6 _II и 6_III, импульсы U₆ поступаеют на первый триггер 8_I, 8_II и 8_III , сигнал U₈, с которого поступает на узел выделения третьего периода синусоид 9_I, 9_II и 9 _III, который пропускает со второго компаратора 7_I , 7_II и 7_III, сигнал U₇, соответствующий третьему периоду с порогом U_n=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. Этот сигнал поступает на второй вход триггера 10_I, 10_II и 10 _III, и возвращает триггер нулевое состояние.

Таким образом, на выходе второго триггера 10_I, 10 _II и 10_III, формируется импульс U₁₀ , длительность которого определяется только скоростью ветра и скоростью ультразвука и не зависит от его частоты и влияния на нее окружающей среды, что обеспечивает высокую точность измерений.

Кроме того, сигнал U₉ с выхода узла выделения третьего периода синусоид 9_I, 9_II и 9 _III, поступает на вторые входы первого триггера 8_I , 8_II и 8_III четвертого триггера 15 _I, 15_II и 15_III, и третьего триггера 11_I, 11_II и 11_III и переводит их в исходное состояние до прихода следующего импульса излучения.

Далее импульс U₁₀, поступающий со второго триггера 10_I, 10_II и 10_III, поступает на преобразователь временной интервал-цифра 17 _I, 17_II и 17_III,. Его длительность преобразуется в цифру, которая через блок деления 18_I , 18_II и 18_III, поступает на блок вычитания 19_I, 19_II и 19_III, где получают разность времени прохождения ультразвука измерительной базы L в цифре между прямым и обратным направлениями. Расстояние L между электроакустическими преобразователями 1_I и 2 _I, 1_II и 2_II, 1_III и 2 _III равны.

Так как значение скорости звука в неподвижном воздухе за время измерения не меняется, то при вычитании оно исключается. Результирующая разность скорости определяется только ветровым сносом импульсных ультразвуковых сигналов в каналах I, II и III и не зависит от значений температуры, относительной влажности и атмосферного давления.

Далее разность скорости, полученная в каждом канале измерения скорости ветра с блоков вычитания 19_I, 19_II и 19_III , поступает на вычислительное устройство 20.

Электроакустические преобразователи попарно 1_I и 2_I, 1 _II и 2_II, 1_III и 2_III образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, что позволяет в вычислительном устройстве 20 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 повышение точности и достоверности надежности измерения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости и направления ветра в одном приборе, путем исключения влияния различия частот генерации электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III за счет вычитания дополнительно введенной задержки в 3 периода каждого такта излучения, обеспечиваемую согласующими устройствами 12 _I, 12_II и 12_III, третьим компаратором 13_I, 13_II и 13_III, счетчиком 14_I, 14_II и 14_III, четвертым триггером 15_I, 15_II и 15_III, и ключевым устройством 16_I, 16_II и 16 _III, и их взаимодействием с остальными узлами предлагаемой полезной модели, чем достигается повышение безопасности взлета и посадки воздушных судов.

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: G01Р 5/00, G01F 1/66, 1984 г.

6 Российская Федерация, патент на полезную модель 77975, МПК: 7 G01P 5/01, 2008 г.

7 Российская Федерация, патент на полезную модель 83620, МПК: 7 G01Р 5/01, 10.06.2009 г. - прототип.

Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, два компаратора, входы которых подключены к коммутатору, три триггера и узел выделения третьего периода синусоид, при этом выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен к второму входу второго триггера и к второму входу третьего триггера, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, 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 последовательно соединенными согласующим устройством, третьим компаратором и счетчиком, четвертым триггером и ключевым устройством, при этом выход счетчика одновременно подключен к второму входу ключевого устройства и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен со вторым входом счетчика, а второй вход соединен с выходом узла выделения третьего периода синусоид, первый вход ключевого устройства подключен к выходу третьего компаратора, а его выход - к первому входу второго триггера, вход согласующего устройства соединен с первым входом третьего компаратора.