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 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, подключенные через коммутатор 3_I, 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, преобразователь временной интервал-цифра 12_I, 12_II и 12 _III, выход которого через блок деления 13_I 13 _II и 13_III подключен к блоку вычитания 14 _I, 14_II и 14_III.

Выходы блоков вычитания 14_I, 14_II и 14_III 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 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 и ко второму входу третьего триггера 11_I, 11_II и 11_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 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 .

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 коммутатор 3_I, 3_II и 3_III от передатчика импульсных сигналов 4_I , 4_II и 4_III модулированы синусоидальным сигналом и приемника импульсных сигналов 5_I, 5 _II и 5_III, которые поочередно работают на излучение и прием в прямом и обратном направлении.

Далее принимаемые сигналы 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 синусоидального сигнала.

Кроме того, с коммутатора 3_I , 3_II и 3_III начало излучаемого импульса запускает третий триггер 11_I, 11_II и 11 _III, который своим передним фронтом запускает второй триггер 10_I, 10_II и 10_III, который формирует начало импульса длительности задержки за счет скорости ветра.

Далее с первого компаратора 6_I, 6 _II и 6_III импульс поступает на первый триггер 8_I, 8_II и 8_III с которого поступает на узел выделения третьего периода синусоидального сигнала 9 _I, 9_II и 9_III, который пропускает со второго компаратора 7_I, 7_II и 7 _III начало третьего периода с порогом

U _n=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. И этот сигнал поступает на второй триггер 10_I, 10 _II и 10_III, на второй вход которого и возвращает триггер нулевое состояние.

Таким образом, на выходе второго триггера 10_I, 10_II и 10_III , 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 6_I, 6_II и 6_III уровень срабатывания значительно выше шумового сигнала, а второй компаратор 7 _I, 7_II и 7_III, обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III.

Кроме того, сигнал, поступающий с выхода узла выделения третьего периода синусоид 9_I , 9_II и 9_III, поступает на второй вход первого триггера 8_I, 8_II и 8_II , и третий триггер 11_I, 11_II и 11_III переводит их в исходное состояние до прихода следующего излучения.

Далее импульс, поступающий со второго триггера 10 _I, 10_II и 10_III, равный времени задержки за счет скорости ветра и три периода синусоидального сигнала, который питает электроакустические преобразователи 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, поступает на преобразователь временной интервал-цифра 12_I, 12_II и 12_III получает разность времени прохождения сигнала ультразвука между прямым направлением и обратным в цифре. Далее через блок деления 13_I, 13_II и 13_III поступает на блок вычитания 14_I, 14_II и 14_III, где получают разность времени прохождения ультразвука в цифре между прямым направлением и обратным измерительной базы, это расстояние L между электроакустическими преобразователями 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, 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 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 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 6_I, 6_II и 6_III и точной фиксации нулевого значения третьего периода синусоидального сигнала, поступающего с электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II , 1_III и 2_III 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.