CS204166B1

CS204166B1 - Method of numerical measuring the space components of the vector of instantaneous speed of wind and device for executinf the same

Info

Publication number: CS204166B1
Application number: CS743177A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Kery
Original assignee: Miroslav Kery
Priority date: 1977-11-12
Filing date: 1977-11-12
Publication date: 1981-03-31

Description

Predmetom vynálezu je sposob číslicového merania priestorových zložiek vektoru okamžitej rýchlosti větra a zariadenie na jeho prevádzanie.It is an object of the present invention to provide a method for digitally measuring the spatial components of an instantaneous wind velocity vector and a device for carrying it.

Pri vývoji a skúškach zbraní a munícíe je potřebné přesné vyhodnocovanie účinku větra na letiace střely. Na meranie rýchlosti a směru přízemného větra sa k týmto účelom využívají! v súčasnosti prevažne klasické Lambrechtove anemometre, umiestňované na viacerých miestach pozdíž dráhy střely. Ich nevýhodou je, že velkost a orientáciu priečnej a pozdížnej zložky vektoru větra, ktorých znalost je pre vyhodnotenie účinku větra na letiacu střelu potřebná, nemerajú priamo. Tieto zložky vektoru větra sa musia z nameranej rýchlosti a směru určit nepriamo, výpočtom. Pri skúškach reaktívnych striel a pomalých riadených striel protitankových, sa doposial' nevyhodnocuje účinok vertikálnej zložky, pretože nie je k dispozícii vhodný anemometer. Ďalšou nevýhodou vrtulkových anemometrov je závislost ich přesnosti na stave opotrebovania ložísk a ozubených súkolí. Pri častom premiestňovaní v teréne je tiež nevýhodná váha a rozměry poměrně robustných snímačov. Z velkého počtu ostatných známých sposobov merania rýchlosti prúdenia vzduchu, založených například na využití jeho dynamických vlastností, na ochladzovaní vyhrievaných platinových drótikov, teřmistorov čl pozistorov, využívajúcich značkovanie prúdiaceho vzduchu vhodnými plynmi, ohrievaním, ionizáciou v elektrostatickom poli, či rádioizotopmi, pomocou tenzometrov alebo laseru, nenašiel v uvedenej oblasti, ale ani v meteorologii uplatnenie doposial' prakticky žiaden z nich. Problémom je buď chúlostivosť alebo zložitosť zariadenia a tým obmedzenie na laboratorně podmienky, vo vačšine prípadOv však neschopnost merať směr prúdenia vo votnom prostředí. Váčšina doposiaí známých metod merania rýchlosti prúdenia vzduchu, je použitelná totiž iba v případe, ak sú snímače umiestnené v meracej trubici a poloha snímačov vzhtadom k osi prúdenia sa nemení.In the development and testing of weapons and ammunition is needed to accurately evaluate the effect of wind on flying missiles. They are used for measuring the speed and direction of the ground wind! currently mostly classic Lambrecht anemometers, located in several places along the trajectory of the missile. Their disadvantage is that the size and orientation of the transverse and longitudinal components of the wind vector, the knowledge of which is necessary to evaluate the effect of the wind on the flying missile, do not measure directly. These components of the wind vector must be determined indirectly from the measured speed and direction by calculation. So far, the effect of the vertical component has not been evaluated in the tests of reactive missiles and slow missile anti-tank missiles, since no suitable anemometer is available. Another disadvantage of propeller anemometers is the dependence of their accuracy on the condition of wear of bearings and gears. The weight and dimensions of relatively robust transducers are also disadvantageous when moving frequently in the field. Among the many other known methods of measuring air flow velocity, based, for example, on the use of its dynamic properties, on the cooling of heated platinum wires, the posistor thermistor, using air flow marking with suitable gases, heating, electrostatic field ionization or radioisotopes, or tensiometers , has found virtually none of them in the aforementioned area, but also in meteorology. The problem is either the delicacy or the complexity of the device and hence the limitation to laboratory conditions, but in most cases the inability to measure the flow direction in the environment. Most of the previously known methods of measuring air flow velocity are only applicable if the sensors are located in the measuring tube and the position of the sensors relative to the flow axis does not change.

Uvedené nevýhody sú ešte výraznejšie pri meraní priečnej zložky větra pre korekciu střelby z pohybujúceho sa tanku, alebo obrněného transportéra. V takejto aplikácii sa vyžaduje naviac i mimoriadna mechanická odolnost anemometre proti otřasu, prachu, blátu a námraze. Doposial' je pre priamu montáž na vezu tanku známe použitie vrtulkového anemometra, termoanemometra a anemometra s fluidným snímačom. Nevýhody vrtulkového anemometra sú uvedené vyššie, termoanemometer vyžaduje zložitú elektro2 8 4 36 G niku pre korekciu nelineárnej snímacej charakteristiky a jeho použitie je účelné iba v případe, keď je tank vybavený palubným počítačom. Nevýhodou anemometra s fluidným snímačom je, že k činnosti vyžaduje tlakový zásobník vzduchu pre vytvorenie referenčného prúdu a nie je odolný proti blátu a námraze.These disadvantages are even more pronounced when measuring the transverse wind component for correcting fire from a moving tank or armored personnel carrier. In addition, the mechanical resistance of the anemometer to shaking, dust, mud and icing is required in such an application. Until now, the use of a propeller anemometer, a thermoanemometer and an anemometer with a fluid sensor is known for direct mounting on the tank. The disadvantages of the propeller anemometer are shown above, the thermoanemometer requires a complicated electrical circuit to correct the non-linear sensing characteristic, and its use is only useful if the tank is equipped with an on-board computer. A drawback of the fluid-bed anemometer is that it requires an air pressure reservoir to operate with a reference current and is not mud and icing resistant.

Problém príameho merania ortogonálnych zložiek vektoru okamžitej rýchlosti větra rieši a vyššie uvedené nevýhody odstraňuje spĎsob číslicového merania podlá vynálezu, ktorého podstata spočívá v tom, že sa pomocou protífahlých ultrazvukových recipročných sond vo vzduchu v mieste merania větra elektrickými kmitmi vybudia a snímajú ultrazvukové impulzy, pričom so číslicovo meria čas ti vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi protifahlými sondami vzdialenými Li, v smere osi x pravoúhlého súradnicového systému xyz, čas t₂ proti směru osi x, čas t3 vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi inými dvoma protilehlými sondami vzdialenými L2, v smere osi y, čas t4 proti směru osi y, Čas tg vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi dalšími dvoma proti1'ahlými sondami vzdialenými Ls, v smere osi z, čas t6 proti směru osi z, a velkost a orientácia zložky w_x vektoru rýchlosti větra v smere osi x sa určuje zo vztahuThe problem of direct measurement of the orthogonal components of the instantaneous wind velocity vector is solved and the above-mentioned disadvantages are eliminated by the method of digital measurement according to the invention, which consists of expanding and sensing ultrasonic pulses by means of opposing ultrasonic reciprocating probes. digitally measures the time t 1 defined by the transient ultrasonic pulse passing between the counter-probes distant L1, in the x-axis direction of the xyz coordinate system, the time t ₂ against the x-axis direction, time t3 defined by the ultrasonic pulse transitions between the other two probes remote L2, time t4, the direction of the Y-axis, time tg defined by passing the ultrasonic pulse between the other two probes proti1'ahlými remote Ls, in the z direction and the time t 6 to the z direction, and the size and orientation of the _x component of the vector w of the wind speed in the x-direction determines from the relationship

velkost a orientácia zložky w_y vektoru rýchlosti větra v smere osi y sa určuje zo vztahu výhodné zvlášť pri skúškach reaktívnych striel a pomalých riadených striel. Vel'mi výhodné využitie ultrazvukového anemometra je na meranie priečnej zložky vektoru rýchlosti větra pre korekciu střelby z pohybujúceho sa tanku, alebo obrněného transportéra. Na meranie postačí jediná dvojica ultrazvukových sond upevněných například na tankovej věži kolmo na os hlavně. Takéto usporiadanie umožňuje meranie priečnej zložky i za jazdy tanku, pričom rýchlosť pohybu tanku, pokial má hlaveň namierenú v smere jazdy, nemá na meranie žiaden vplyv. Ultrazvukový anemometer podlá vynálezu umožňuje v porovnaní s vrtulkovými anemometrami podstatné zvýšenie mechanickej odolnosti, přesnosti, zníženie prahu citlivosti a predíženie životnosti. Jeho výhodou v porovnaní s termoanemometrom je, že má lineárnu snímaciu charakteristiku a nevyžaduje preto zložitý kompenzátor. Výhodou v porovnaní s fluidným anemometrom je, že nevyžaduje zvláštny tlakový zásobník vzduchu a je odolnější proti účinkom prachu, blata a námrazy. Výsledok merania je nezávislý na tlaku, teplote, vlhkosti a ostatných fyzikálnych vlastnostiach vzduchu. Priamy číslicový výstup je výhodný pre automatizáciu vyhodnocovania merania, například pri napojení na palubný počítač tanku.the size and orientation of the _y component of the wind velocity vector in the y-axis direction is determined from a relationship advantageous in particular for the testing of reactive missiles and slow guided missiles. A very preferred use of an ultrasonic anemometer is to measure the transverse component of the wind velocity vector to correct firing from a moving tank or armored personnel carrier. A single pair of ultrasonic probes mounted, for example, on a tank tower perpendicular to the barrel axis is sufficient for the measurement. Such an arrangement makes it possible to measure the transverse component even while the tank is traveling, and the speed of movement of the tank when the barrel is directed in the direction of travel has no effect on the measurement. The ultrasonic anemometer according to the invention enables a substantial increase in mechanical resistance, accuracy, a lowering of the sensitivity threshold and a prolongation of the lifetime compared to the vane anemometers. Its advantage over a thermoanemometer is that it has a linear sensing characteristic and therefore does not require a complicated compensator. The advantage over a fluid anemometer is that it does not require a separate air pressure reservoir and is more resistant to the effects of dust, mud and icing. The measurement result is independent of the pressure, temperature, humidity and other physical properties of the air. Direct digital output is useful for automating measurement evaluation, for example when connected to a tank computer.

Sposob merania horizontálnych zložiek vektoru rýchlosti větra je bližšie objasněný na obr. 1 a 2, zariadenie na prevádzanie tohoto sposobu je znázorněné na obr. 3 a 4. Nech bodový zdroj Z zvukového rozruchu umiestnený v horizontálně] rovině xy vyšle v čase t = 0 zvukový impulz; příslušná tlaková vlna přejde miestom pozorovatelů P v určitom čase t (obr. lj, takže rýchlosť šírenia sa rozruchu v smere ZP je:The method of measuring the horizontal components of the wind velocity vector is explained in more detail in FIG. 1 and 2, an apparatus for carrying out this method is shown in FIG. 3 and 4. Let the point source Z sound disturbance located in the horizontal] plane xy emits a sound pulse at time t = 0; the respective pressure wave passes through the spot of observers P at a certain time t (Fig. 1j), so that the speed of propagation s and of the disturbance in the direction ZP is:

velkost a orientácia zložky w_z vektoru rýchlosti větra v smere osi z sa určuje zo vztahuthe magnitude and orientation of the component w _{z of} the wind velocity vector in the z-direction is determined from the relation

Výhodou takéhoto sposobu merania je, že umožňuje konštrukciu jednoduchého snímača bez meracích trubic a bez pohyblivých častí. Zvlášť výhodný je pre přesné vyhodnotenie účinku větra na letiace střely, pri skúškach zbraní a munície, pretože umožňuje pri orientácii jeho osi x do směru střelby, merať priamo pozdlžnu i priečnu zložku vektoru rýchlosti větra. Navrhovaný anemometer umožňuje meranie všetkých troch priestorových zložiek vektoru rýchlosti větra, a tým aj komplexnejšie vyhodnotenle účinku větra na letiace objekty, čo je kde L je vzdialenosť medzi zdrojom zvuku Z a pozorovatelům P. Zvuk sa však vo vzduchu šíři vo všetkých smeroch rovnakou rýchlosťou v, nie vzhladom na zdroj Z, ale vzhťadom na súradnicovú sústavu, ktorá sleduje pohyb vzduchu ako celku. Preto střed S vzduchom sa šíriacej gulovej tlakovej vlny v čase t, bude v mieste s polohovým vektorom r = v . t a poloměr gule bude v . t. Z obr. 1 vyplývá vztah:The advantage of such a measurement method is that it allows the construction of a simple sensor without measuring tubes and without moving parts. It is particularly advantageous to measure the longitudinal and transverse component of the wind velocity vector directly in the direction of its x-axis in the direction of fire when accurately evaluating the effect of the wind on flying missiles, in the tests of weapons and ammunition. The proposed anemometer allows the measurement of all three spatial components of the wind velocity vector, and thus a more complex evaluation of the effect of the wind on flying objects, which is where L is the distance between the sound source Z and observers P. not with respect to the source Z, but with respect to the coordinate system which follows the movement of the air as a whole. Therefore, the center S of the air spreading spherical pressure wave at time t will be at the location with the position vector r = v. t and the radius of the sphere will be in. t. FIG. 1 shows the relationship:

v* = v . cos/3 + w . cosa (1)v * = v. cos / 3 + w. cosa (2)

Ultrazvukové sondy 1, 2, 3, 4 sú umiestnené v horizontálně] rovině xy. Na tvare meinčov přitom nezáleží, pretože podlá Huygensovho principu čelo vlnoplochy 1'ubovolného tvaru tvoří vždy obálka elementárnych gulových vlnoploch a ku vztahu (1) možno dospieť sledováním šírenia ktorejkolvek z nich. Uvažujme nasledovný merací cyklus:The ultrasonic probes 1, 2, 3, 4 are arranged in the horizontal plane xy. The shape of the meinches does not matter, because according to the Huygens principle, the wavefront face 1 'of arbitrary shape always forms an envelope of elementary spherical wavefronts and relation (1) can be reached by observing the propagation of any of them. Consider the following measurement cycle:

SWITH

1. Sonda 1 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 2 ho přijme za čas ti.1. Probe 1 emits an ultrasonic pulse, probe 2 receives it in time t 1.

2. Sonda 2 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 1 ho přijme za čas t2.2. Probe 2 sends an ultrasonic pulse, probe 1 receives it at time t2.

3. Sonda 3 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 4 ho přijme za čas t3.3. Probe 3 emits an ultrasonic pulse, probe 4 receives it at time t3.

4. Sonda 4 vyšle ultrazvukový impulz, sonhuji! premennu rýchlosť zvuku v. Meranie vertikálnej zložky w_z je možné pomocou tretej dvojice sond, meraním časov ts a te v smere a proti směru vertikálnej súradnicovej osi z. Velkost a orientácia tejto zložky sa určí analogicky ako velkost a orientácia horizontálnych zložiek:4. Probe 4 sends an ultrasonic pulse, sonhy! - variable speed audio in vista. The measurement of the vertical component w _z is possible by means of a third pair of probes, by measuring the times ts and te in the direction and against the direction of the vertical coordinate axis z. The size and orientation of this component shall be determined in analogy to the size and orientation of the horizontal components:

da 3 ho přijme za čas ta.da 3 will accept it in time t.

Potom vychádzajúc zo napísať:Then, starting from write:

vzťahu (1) možnorelationship (1) maybe

Příklad konkrétného prevedenia snímača je na obr. 3. Ultrazvukové sondy 1, 2, 3, 4, 5, 6 upevněné v držiaku 7 sú cez analogové spínače 8, 9, 10, 11, 12, 13, připojené na výstup budiča 27, ktorý generuje elektrické kmity pre budenie sond (obr. 4). Cez analogové spínače 14, 15, 16, 17, 18, 19, sú sondy 1, 2, 3, 4, 5, 6 připojené na vstup tvarovacieho obvodu 29, ktorý vysielané i přijímané kmity tvaruje na impulzy vhodné pre ovládáme hradla 21 a čítača 22. Čítač 22 postupné meria dížku časových intervalov ti, t2, t3, ti, ts, te, pričom počítá impulzy generované přesným generátorom 25. Výsledky merania časov sa číslicovo spracovávajú vo vyhodnocovacej jednotke 23. Velkost a znamienko zložiek w_x, w_y, w_z sa indikuj ú na displeji 24. Činnost všetkých obvodov je riadená riadiacou logikou 26, napájanie zabezpečuje zdroj 28. Vyhodnocovacia jednotka 23 a riadiaca logika 28 možu byť realizované například klasickou sekvenčnou logikou, logickým systémom s mikroradičom alebo mikropočítačom.An example of a particular embodiment of the sensor is shown in FIG. 3. The ultrasonic probes 1, 2, 3, 4, 5, 6 mounted in the holder 7 are connected via analog switches 8, 9, 10, 11, 12, 13 to the output of the exciter 27, which generates the oscillations for exciting the probes (fig. 4). Via analog switches 14, 15, 16, 17, 18, 19, probes 1, 2, 3, 4, 5, 6 are connected to the input of the shaping circuit 29, which sends both transmitted and received oscillations into pulses suitable for controlling gates 21 and counters. 22. The counter 22 successively measures the length of time intervals t1, t2, t3, ti, ts, te, counting the pulses generated by the precision generator 25. The time measurement results are digitally processed in the evaluation unit 23. Size and sign of the components w _x , w _y , w _of the account indicates on the display 24, operation of all of the devices controlled by the control logic 26 provides the power source 28. the analysis unit 23 and control logic 28 may be implemented by e.g., classical sequential logic, a logic system, microcontroller or microcomputer.

Ultrazvukový anemometer podlá vynálezu je vhodný i pre použitie v meteorológii. Vyhodnocovacia jednotka 23, ktorá je súčasťou elektroniky anemometra, može namerané ortogonálně zložky vektoru rýchlostí větra transformovat do polárnej súradnicovej sústavy a anemometer bude potom merat priamo rýchlosť a směr větra.The ultrasonic anemometer according to the invention is also suitable for use in meteorology. The evaluation unit 23, which is part of the anemometer electronics, can transform the measured components of the wind velocity vector orthogonally into a polar coordinate system, and the anemometer will then directly measure the wind speed and direction.

Li __U__ v . cos/? — w_x(2) L2Li __U__ v. cos /? - w _x (2) L2

V . COS/? — Wy (3) kde w_x = w . cosa, w_y = w . siná, sú horizontálně zložky vektoru rýchlostí větra, Li je vzdialenosť sond 1 a 2, L2 je vzdialenosť sond 3 a 4. Jednoduchou úpravou rovnic (2) a (3) možno obe zložky vyjádřit pomocou rozdiel u prevrátených hodnot časov:IN . COS /? - Wy (3) where w _x = w. cosa, w _s = w. sin, are the horizontal components of the wind velocity vector, L1 is the distance between probes 1 and 2, L2 is the distance between probes 3 and 4. By simply adjusting equations (2) and (3), both components can be expressed by the difference of inverted time values:

ti t'3 = v . cos/3 w_x ti t'3 = v. cos / 3 w _x

L2L2

V . COS/? + WyIN . COS /? + Wy

L/ t2 tiL / t2 ti

L λL λ

74)74)

M(S)M (S)

Z odvodených rovnic je zřejmé, že zložky w_x, w_y vektoru rýchlostí větra, je možné implicitně vyjádřit pomocou časov ti, t2, resp. t3, ta, pričom výsledné vztahy neobsa-It is obvious from the derived equations that the components w _x , w _{y of the} vector at the wind velocity can be implicitly expressed by the times t1, t2, respectively. t3, ta, where the resulting relations do not

Claims

WITH

1. A method for the digital measurement of spatial components of an instantaneous velocity vector, based on the evaluation of the propagation effect of a wind, characterized in that ultrasonic pulses are absorbed by means of opposite ultrasonic reciprocating probes in the air at the point of measurement of the wind. wherein the time t 1 of the ultrasonic pulse transition between the counter-adjacent probes remote L 1, the x axis of the right-hand coordinate symmetric x-y, the time t2 versus the x-axis, the time t 3 limited by the passage of the ultrasonic pulse between the other yokes by the opposite son-dams the distance L2, in the y-direction, the time 4 versus the y-axis direction, the time ts defined by the ultrasonic pulse transition between the other opposed probes spaced Ls, in the z-axis, the time z z, and the velocity and orientation of the vector wx velocity vent in the direction The x-axis is determined by 204166 7

the size and orientation of the wy vector of the velocity vector in the y-axis direction is determined from the relationship

the size and orientation of the component w from the velocity vector of the wind in the z-axis direction is determined from the relationship

1. Probe 1 sends an ultrasonic pulse, son 2 receives it in time.

2. Probe 2 sends an ultrasonic pulse, probe 1 receives it in time t2.

3. The probe 3 sends an ultrasonic pulse, the probe 4 receives it in time ts.

4. Probe 4 sends an ultrasonic pulse, son-204166 huje! variable sound velocity v. Measurement of the vertical component wz is possible by using the third pair of probes, measuring times ts and te versus and upstream of the vertical coordinate axis z. The size and orientation of this component is determined analogously to the size and orientation of the horizontal components: da 3 accepts for the time. Then starting to write: relation (1) maybe

An example of a particular embodiment of the sensor is shown in FIG. 3. The ultrasonic probes 1, 2, 3, 4, 5,6 mounted in the holder 7 are connected via the analog switches 8, 9, 10, 11, 12, 13 to the driver output 27 generates electron beams to drive probes (Fig. 4). Through the analog switches 14, 15, 16, 17, 18, 19, the probes 1, 2, 3, 4, 5, 6 are connected to the input of the shaping circuit 29, which forms both the transmitted and received frequencies into pulses suitable for we control the gate 21 and the counter 22. The step counter 22 measures the length of time intervals t1, t2, t3, ta, ts, te, counting the pulses generated by the precision generator 25. The time measurements are digitally processed in the evaluation unit 23. Size The indication of the components wx, wy, wz is indicated by the display 24. The operation of all circuits is controlled by the control logic 26, the power supply is provided by the source 28. The evaluation unit 23 and the control logic 28 can be implemented, for example, by classical sequential logic, the logic system s. microcontroller or computer. The ultrasonic anemometer according to the invention is also suitable for use in meteorology. The evaluation unit 23, which is part of the electronics of the anemometer, can measure the orthogonally components of the velocity vector to transform the polar coordinate state, and the anemometer will then measure the speed and direction of the wind directly. Li __U__ v. what with/? - wx (2) L2V. WHAT WITH/? - Wy (3) where wx = w. cosa, wy = w. sine, the components of the velocity velocity vector are linear, the spacing of probes 1 and 2, L2 is the distance of probes 3 and 4. By simply modifying equations (2) and (3) both components can be expressed by difference in inverted times: ti t'3 = v. cos / 3 wx 1.2 volts. WHAT WITH/? + Wy

L / t2 t4 L λ 74) MfS) It can be seen from the derived equations that the components wx, wy of the velocity vector, can be implicitly expressed by the times t 1, t 2, resp. t3, here, the resulting relationships are NOT OBJECT

2. A measurement method according to claim 1, comprising at least one pair of counter-ultrasound transducer ultrasonic probes (1, 2, 3, 4, 5, 6) mounted in a co-carrier (7); that the axes of the probe pairs (1, 2, 3, 4, 5, 6) are oriented in the direction of the rectangular symmetrical system while the probes are connected to the driver output via analog switches (8, 9, 10, 11, 12, 13) (27) and through other switches (14, 15, 16, 17, 18, 19) for input of a shaping medium (20) which is connected to the input of the counter (22) via the gate (21), the output of the counter ( 20) is further connected to the input of the evaluation unit (23), the output of which is connected to the display (24), the control, zeroing and adjustment inputs of the driver (27), the shaping circuit (20), the gate (21) ), the counter (22), the evaluation unit (23) of the switches (8) to (19) are connected to the outputs of the control logic ('26) and the clock input (21) ) and control logic (26) are connected to the outputs of the pulse generator (25).

3 sheets of drawings Severografia, n. J.., Plant 7, Most