CS204166B1 - Sposob číslicového merania priestorových zložiek vektoru okamžité) rýchlosti větra a zariadenie na jeho prevádzanie - Google Patents

Description

Predmetom vynálezu je sposob číslicového merania priestorových zložiek vektoru okamžitej rýchlosti větra a zariadenie na jeho prevádzanie.

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.

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.

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 vztahu

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.

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:

velkost a orientácia zložky w_z vektoru rýchlosti větra v smere osi z sa určuje zo vztahu

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:

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

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:

S

1. Sonda 1 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 2 ho přijme za čas ti.

2. Sonda 2 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 1 ho přijme za čas t2.

3. Sonda 3 vyšle ultrazvukový impulz, sonda 4 ho přijme za čas 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:

da 3 ho přijme za čas ta.

Potom vychádzajúc zo napísať:

vzťahu (1) možno

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.

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.

Li __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:

ti t'3 = v . cos/3 w_x

L2

V . COS/? + Wy

L/ t2 ti

L λ

74)

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-

Claims (3)

PREDMET

1. Sposob číslicového merania priestorových zložiek vektoru okamžitej rýchlostí větra, založený na vyhodnotení účinku větra na šírenie zvuku, vyznačujúci sa tým, že sa pomocou protilahlých ultrazvukových recipročných sond vo vzduchu v mieste merania větra elektrickými kmitmi vybudia a snímajú ultrazvukové impulzy, pričom sa číslicovo meria čas ti vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi dvorná protilehlými sondami vzdialenými Li, v smere osi x pravoúhlého súradnicového syVYNÁLEZU stému xyz, čas t2 proti směru osi x, čas t3 vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi inými dvorná protilahlými sondami vzdialenými L2, v smere osi y, čas ti proti směru osi y, čas ts vymedzený prechodom ultrazvukového impulzu medzi dalšími dvoma protilahlými sondami vzdialenými L3, v smere osi z, čas te proti směru osi z, a velkost a orientácia zložky w_x vektoru rýchlostí větra v smere osi x sa určuje zo vztahu velkost a orientácia zložky w_y vektoru rýchlosti větra v smere osi y sa určuje zo vztahu velkost a orientácia zložky w_z vektoru rýchlosti větra v smere osi z sa určuje zo vztahu

2. Zariadenie na prevádzanie spósobu merania podía bodu 1, vyznačujúce sa tým, že pozostáva najmenej z jednej dvojice proti1'ahlých recípročných ultrazvukových sond (1, 2, 3, 4, 5, 6] upevněných v spoločnom držiaku (7) tak, že osi dvojíc sond (1, 2, 3, 4, 5, 6) sú pri meraní orientované v smere osí pravoúhlého súraúnicového systému, pričom jednotlivé sondy sú cez analogové spínače (8, 9, 10, 11, 12, 13) napojené na výstup budiča (27) a cez ďalšie spínače (14, 15, 16, 17, 18, 19) na vstup tvarovacieho obvodu (20), ktorý je cez hradlo (21) připojený na vstup čítača (22), výstup čítača (20) je ďalej napojený na vstup vyhodnocovacej jednotky (23), ktorej výstup je napojený na displej (24), pričom riadiace, nulovacie a nastavovacie vstupy budiča (27), tvarovacieho obvodu (20), hradla (21), čítača (22), vyhodnocovacej jednotky (23) a spínačov (8) až (19) sú napojené na výstupy riadiace j logiky ('26) a hodinové vstupy hradla (21) a riadiacej logiky (26), sú napojené na výstupy generátora taktovacích impulzov (25).