CS255300B1

CS255300B1 - Device for direction and speed of wind measuring

Info

Publication number: CS255300B1
Application number: CS867892A
Authority: CS
Inventors: Stanislav Jura
Original assignee: Stanislav Jura
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS789286A1

Abstract

Řešení se týká zařízení na měření směru a rychlosti větru, používaných v meteorologii a příbuzných oborech( Zařízení je charakterizováno tím, že na plášti nepohyblivého rotačního tělesa (1 000, 1 010) jsou upevněny na tlak citlivé elektrické převodníky (1 až n) napojené přes zesilovače (10 až nO) na přepínací obvody (100), jejichž výstup je napojen na vzorkovací obvod (200), za kterým následuje analogočíslicový převodník (300) napojený na obvody vyhodnocovací (400) a řídící (402) . Vyhodnocovací obvody jsou tvořeny mikroprocesorem a mikropočítačem a mohou na ně být napojena taková zařízení, jako jsou: elektronický displej, tiskárna, souřadnicový zapisovač. Hlavní aplikace zařízení jsou v meteorologii a dále v zemědělství a lesním hsopodářství. Výhody zařízení spočívají v tom, že je tvořeno nepohyblivými částmi a měří najednou vektor rychlosti větru.The solution relates to a direction measuring device and wind speeds used in meteorology and related fields (Equipment is characterized by making the mantle immobile the rotating body (1,000, 1,020) are pressure-sensitive electric transducers fixed (1 to n) connected via amplifiers (10 to nO) for switching circuits (100) whose output is connected to the sampling circuit (200) followed by analogue converter (300) connected to circuits evaluation (400) and control (402). The evaluation circuits are a microprocessor and a microcomputer and can on them devices such as: electronic display, printer, coordinate recorder. Main device applications they are in meteorology and in agriculture and forest industry. Advantages of the device they consist of being immobile parts and measures the velocity vector at once wind.

Description

Vynález se týká meteorologických zařízení pro zjišťování směru a rychlosti větru.The present invention relates to meteorological devices for determining wind direction and speed.

Zařízení pro tento účel jsou známa. Směr větru se určuje větrnou směrovkou buáto čistě mechanickou nebo s elektronickým odečítáním polohy. Rychlost větru se měří různými typy anemometrů, z nichž nejběžnější jsou anemometry miskové.Devices for this purpose are known. The wind direction is determined by a wind direction indicator either purely mechanical or with electronic position reading. Wind speed is measured by different types of anemometers, the most common being cup anemometers.

Při konstrukci anemometrů se využívají čtyři základní fyzikální účinky větru a to síla, dynamický tlak, chladicí účinek proudění a sonický účinek. Přístroje zkonstruované na uvedených principech jsou dostatečně známé a jsou uvedeny v dostupné literatuře.The construction of anemometers uses four basic physical effects of wind, namely force, dynamic pressure, flow cooling and sonic effect. Apparatus constructed on the above principles are well known and are listed in the available literature.

Všechny známé přístroje pro zjišťování směru a rychlosti větru jsou převážně mechanická zařízení s otočně uloženou větrnou směrovkou nebo s rotujícími miskami. Výjimkou je termoanemometr, který používá pevnou sondu se dvěma miniaturními termistory, z nichž jeden je vyhříván na teplotu vyšší než' je teplota okolí. Druhý termistor není vyhříván a indikuje velikost okolní teploty. Rozdíl teplot obou termistorů je*přibližně úměrný logaritmu rychlosti větru.All known wind direction and speed detection devices are predominantly mechanical devices with rotatable wind direction indicators or rotating bowls. An exception is a thermoanemometer, which uses a fixed probe with two miniature thermistors, one of which is heated to a temperature above ambient temperature. The second thermistor is not heated and indicates the ambient temperature. The temperature difference of the two thermistors is * approximately proportional to the logarithm of the wind speed.

Existují elektronické meteorologické stanice napojené na počítač, jehož vstupy jsou přivedeny od analogočíslicových převodníků, větrných směrovek a anemometrů. Vždy je však zapotřebí alespoň jeden přístroj na měření směru rychlosti větru a jeden na měření rychlosti větru. Oba druhy měřicích přístrojů snímají směr a rychlost větru jen v jedné rovině, obvykle horizontální a nejsou schopny registrovat směry a rychlosti větru mimo tuto rovinu.There are electronic meteorological stations connected to a computer whose inputs are from analogue to digital converters, wind direction indicators and anemometers. However, at least one wind speed measuring device and one wind speed measuring device are always required. Both types of measuring instruments sense wind direction and speed in only one plane, usually horizontal, and are unable to register wind directions and speeds outside that plane.

Uvedené nevýhody odstraňuje předložený vynález. Jeho podstata spočívá v tom, že zařízení na měřeni směru a rychlosti větru je charakterizováno tím, že na plášti nepohyblivého rotačního tělesa jsou upevněny na tlak citlivé elektrické převodníky, napojené přes zesilovače na přepínací obvody, jejichž výstup je napojen na vzorkovací obvod, za kterým následuje analogočíslicový převodník napojený na obvody vyhodnocovací a řídicí. Řídicí a vyhodnocovací obvody jsou tvořeny mikroprocesorem nebo mikropočítačem. Rotační těleso má pro běžné aplikace tvar válce a na tlak citlivé převodníky,jsou rozmístěny na jeho plášti na kružnici.These disadvantages are overcome by the present invention. It is characterized in that the wind speed and wind speed measuring device is characterized in that pressure-sensitive electrical converters are connected to the immovable rotating body housing connected to amplifier circuits for switching circuits, the output of which is connected to a sampling circuit followed by analog-to-digital converter connected to evaluation and control circuits. The control and evaluation circuits consist of a microprocessor or a microcomputer. The rotary body has the shape of a cylinder and pressure-sensitive transducers for common applications, and is located on its shell on a circle.

Pro speciální aplikace má rotační těleso tvar koule a na tlak citlivé elektrické převodníky jsou na ní rozmístěny v ploše, zabírající široký pás kolem rovníku.For special applications, the rotary body is spherical in shape and pressure-sensitive electrical converters are located on a surface occupying a wide belt around the equator.

Válec nebo koule se zmíněnými převodníky jsou situovány v místě proudění větru. Při nárazu na válec či kouli se kinetická energie větru mění v energii tlakovou, snímanou převodníky. Velikost tlaku a tím 1 elektrického napětí je závislá nejen na rychlosti větru, ale i na poloze každého převodníku na válci či kouli. Největší tlak vznikne na převodníku umístěném proti směru rychlosti větru. Elektrické napětí je postupně snímáno přepínacími obvody prostřednictvím řídicích obvodů, analogové napětí je převedeno na číslicový signál, který je zaveden do vyhodnocovacích obvodů. Ty zjistí z těchto signálů nejen směr, ale i rychlost větru.The cylinder or spheres with said transducers are situated at the point of the wind flow. On impact with a cylinder or a ball, the kinetic energy of the wind changes into the energy of the pressure transducers. The magnitude of the pressure and thus of the electric voltage depends not only on the wind speed, but also on the position of each transmitter on the cylinder or ball. The greatest pressure is generated on the transmitter placed against the wind direction. The electrical voltage is gradually sensed by the switching circuits via control circuits, the analog voltage is converted to a digital signal, which is applied to the evaluation circuits. They detect not only the direction but also the wind speed from these signals.

Pohyb vzduchu je trojrozměrný a proměnlivý. Sledování proudu vzduchu v prostoru umožňuje použití koule s plošným rozložením převodníků. Podstata tohoto uspořádání je stejná jako v předešlém případě, jen proces přepínáni a vyhodnocování je složitější.Air movement is three-dimensional and variable. Monitoring of the air flow in the space allows the use of a sphere with a flat distribution of the converters. The essence of this arrangement is the same as in the previous case, except that the switching and evaluation process is more complex.

Dosahovaný vyšší účinek či pokrok vynálezu spočívá v tom, že zařízení podle vynálezu slučuje dva přístroje v jeden, přičemž nepoužívá žádných pohyblivých částí. Umožňuje též sledovat a měřit trojrozměrné proudění vzduchu.The achieved higher effect or progress of the invention is that the device according to the invention combines two devices into one without using any moving parts. It also allows to monitor and measure three-dimensional air flow.

Vynález je blíže osvětlen prostřednictvím přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma zařízení. Na obr. 2 je zapojení zesilovače s elektrickým převodníkem závislým na tlaku. Obr. 3 znázorňuje schematicky vnější vzhled zařízení s rotačním válcem. Na obr. 4 je uspořádání s koulí. Obr. 5 znázorňuje způsob vyhodnocení sejmutých signálů z převodníků .The invention is illustrated in more detail by the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram of the apparatus. Fig. 2 shows the connection of an amplifier with a pressure-dependent electrical converter. Giant. 3 shows schematically the external appearance of a rotary cylinder device. Fig. 4 shows an arrangement with a ball. Giant. 5 illustrates a method for evaluating scanned signals from converters.

Blokové schéma na obr. 1 sestává z elektrických převodníků JI, 2, 2 až n citlivých na tlak napojených na zesilovače 10, 20, 30 až nO jejichž výstupy 11, 21, 31 až nl jsou napojeny na přepínací obvody 100, tvořené analogovým multiplexorem. Výstup přepínacích obvodů 100 je napojen na vzorkovací obvod 200 a jeho výstup na analogočíslicový převodník 300. Výstup analogočíslicového převodníku 300 je napojen na vyhodnocovací obvody 400, které mohou být s výhodou tvořeny mikropočítačem. Obvody styku mikropočítače s analogočíslicovým převodníkem nejsou kresleny. Vyhodnocovací obvody 400 sestávají z vlastních vyhodnocovacích obvodů 401 a řídicích obvodů 402, jejichž první výstup je zaveden na vstup přepínacích obvodů 100, druhý výstup jednak na vzorkovací obvod 200, jednak na analogočíslicový převodník 300. Výstupy z vyhodnocovacích obvodů 400 mohou být podle potřeby přes neznázorněné obvody styku napojeny na elektronický displej 500, tiskárnu 600 a souřadnicový zapisovač 700.The block diagram of FIG. 1 consists of pressure-sensitive electrical converters 1, 2, 2 to n connected to amplifiers 10, 20, 30 to 10 whose outputs 11, 21, 31 to 11 are connected to switching circuits 100 formed by an analog multiplexer. The output of the switching circuitry 100 is coupled to the sampling circuit 200 and its output to the analog-to-digital converter 300. The output of the analog-to-digital converter 300 is coupled to the evaluation circuits 400, which may preferably be a microcomputer. Circuits of contact of microcomputer with analog-to-digital converter are not drawn. The evaluation circuits 400 consist of the actual evaluation circuits 401 and the control circuits 402, the first output of which is applied to the input of the switching circuits 100, the second output to both the sampling circuit 200 and the analog-to-digital converter 300. the circuitry connected to an electronic display 500, a printer 600, and a coordinate recorder 700.

Na obr. 2 je uvedeno jedno z více možných zapojení zesilovače .10., ²⁰« 30 až nO. Jeho ústředním prvkem je na tlak citlivý elektrický převodník 1, v našem případě tlakový tranzistor Pitran. Na jeho bázi je přivedeno napětí přes odpor 50 z děliče napětí 51, dále tlakový signál 60. Výstup 61 je vyveden z kolektoru tlakového tranzistoru 1. V obvodu kolekto ru je zapojen odpor 52. Zdroj napětí je označen 53.FIG. 2 shows one of several possible connections of the amplifier 10, ^20, 30 to 10. Its central element is the pressure-sensitive electrical converter 1, in our case the pressure transistor Pitran. On its basis, voltage is applied through a resistor 50 from the voltage divider 51, as well as a pressure signal 60. The output 61 is led out of the collector of the pressure transistor 1. A resistor 52 is connected in the collector circuit.

Na obr. 3a je schematicky znázorněn nárys a na obr. 3b půdorys válcového rotačního tělesa 1 000 a na kterém jsou upevněny na tlak citlivé elektrické převodníky X, 2, 2 ·.· n. Válec 1 000 je upevněn na sloupku 1 002 a z vnitřku válce 1 000 vychází svazek vodičů ve formě kabelu 1 003. V půdoryse na obr. 3b je lépe patrno rozmístění na tlak citlivých elektrických převodníků 1^, 2, Jj, ... n, na plášti válce 1 000.Fig. 3a shows a schematic front view and Fig. 3b a plan view of a cylindrical rotary body 1000 on which pressure-sensitive electric transducers X, 2, 2 · n are mounted. The cylinder 1000 is mounted on the post 1 002 and inside In the plan view of FIG. 3b, the distribution of the pressure-sensitive electrical transducers 1, 2, 3, 1, ... n on the jacket of the cylinder 1 000 is better seen.

Na obr. 4a je schematicky znázorněn nárys a na obr. 4b půdorys koule 1 010 a na jejím plášti je znázorněno rozmístění na tlak citlivých elektrických převodníků 1, 2,3, ...n.Fig. 4a is a schematic front view, and Fig. 4b is a plan view of the ball 1 010 and its housing shows the distribution of pressure-sensitive electrical converters 1, 2, 3, ... n.

Koule 1 010 je upevněna na sloupku 1 002 prostřednictvím dutého válce 1 013, kterým prochází svazek vodičů ve formě kabelu 1 003.The ball 1 010 is fixed to the post 1 002 by means of a hollow cylinder 1 013 through which the cable bundle 1 003 passes.

Obr. 5 nepopisuje provedení vynálezu, ale slouží k vysvětlení funkce vynálezu. Ta je zhruba následující: Rotační těleso například ve tvaru válce 1 000 na jehož plášti jsou pravidelně rozmístěny na tlak citlivé elektrické převodníky, v našem případě je jich dvanáct čili n=12, je umístěno v místě sledování směru a rychlosti větru, na sloupku 1 002 zapuštěném například do země a první převodník 1 je situován podle kompasu ve směru nultého poledníku. Kabelem 1 003 jsou výstupy převodníků 1. až 12 zavedeny do operační místnosti, kde je umístěna celá aparatura včetně mikropočítače. Osa válce 1 000 je situována vertikálně. Proud vzduchu 2 000 způsobený větrem naráží na převodníky, jeho kinetická energie se přeměňuje na tlak a ten se v převodnících mění .na elektrické napětí, které je upravováno v zesilovačích 10 až nO. Výstupy 11 až nl ze zesilovačů 10 až nO jsou zavedeny na vstup přepínacích obvodů 100, které na pokyn řídicích obvodů 402 postupně na krátký časový interval připojují na vzorkovací obvod 200, který snímá jejioh hodnotu napětí, která je v následujícím analogočíslicovém převodníku převedena na číslicovou hodnotu. Činnost vzorkovacího obvodu 200 a analogovočíslicového převodníku je rovněž řízena řídicími obvody 402. Výstup z analogočíslicového převodníku 300 je zaveden do vyhodnocovacích obvodů 400, jmenovitě do vlastních vyhodnocovacích obvodů 401, kde je každý výstup v číslicové formě uložen do operační paměti, která je součástí vlastních vyhodnocovacích obvodů 401 a není na obr. 1 kreslena. Popsaný proces probíhá tak dlouho, dokud nejsou v paměti uloženy číslicové hodnoty napětí ze všech zesilovačů 10 až nO. Jestliže se tak stalo, proces snímání a transformace je přerušen a nastává vlastní vyhodnocení naměřených signálů uložených v paměti. Předpokládá se v dalším, že vyhodnocovací obvody 400 jsou tvořeny mikropočítačem. Na základě programu uloženém v jeho paměti, mikropočítač proloží podle obr. 5 koncovými body výstupních napětí ze zesilovačů 10 až nO uložených v paměti křivku, například Gaussovu funkci, a zjistí souřadnice jejího vrcholu. Souřadnice nezávisle proměnné na vodorovné ose určuje směr větru ve stupních od nultého poledníku, souřadnice závisle proměnné na svislé ose je rovna nebo úměrná rychlosti větru. Konstantu úměrnosti je nutno určit experimentálně. Odaje o směru a rychlosti větru jsou potom zobrazeny na elektronickém displeji 500, zapsány na tiskárně 600 nebo vynesenyGiant. 5 does not describe an embodiment of the invention but serves to explain the function of the invention. This is roughly the following: A rotary body, for example, in the form of a cylinder 1000, on the casing of which pressure sensitive electrical converters are regularly distributed, in our case there are twelve or n = 12, is located at the wind and wind speed monitoring point. embedded in the ground, for example, and the first transducer 1 is situated along the compass in the direction of the prime meridian. Using the cable 1 003, the outputs of the converters 1 to 12 are led to the operating room, where the whole apparatus including the microcomputer is located. The axis of the cylinder 1000 is situated vertically. The airflow 2000 caused by the wind impinges on the transducers, its kinetic energy is converted into a pressure, and it changes in the transducers to the electrical voltage which is regulated in the amplifiers 10 to 10. The outputs 11 to 11 of the amplifiers 10 to 10 are applied to the input of the switching circuits 100, which, at the command of the control circuits 402, gradually connect for a short period of time to the sampling circuit 200 which senses its voltage value which is converted to a digital value . The operation of the sampling circuit 200 and the A / D converter is also controlled by the control circuits 402. The output from the A / D converter 300 is fed to the evaluation circuits 400, namely, to the evaluation circuits 401, each output in digital form being stored in the processing memory. 1 and not shown in FIG. The described process is continued until the digital values of all 10 to 10 amplifiers are stored in the memory. If this happens, the sensing and transforming process is interrupted and the actual measured signals stored in the memory are evaluated. It is further contemplated that the evaluation circuitry 400 is a microcomputer. Based on the program stored in its memory, the microcomputer interfaces with the end points of the output voltages from the amplifiers 10 to 10 stored in memory the curve, for example, the Gaussian function, and determines the coordinates of its peak. The coordinate of the independent variable on the horizontal axis determines the wind direction in degrees from the prime meridian, the coordinate of the dependent variable on the vertical axis is equal to or proportional to the wind speed. The proportionality constant must be determined experimentally. The wind direction and speed readings are then displayed on the electronic display 500, written to the printer 600 or plotted

I do grafu na souřadnicovém zapisovači 700. Předtím jsou ovšem zaznamenány do paměti. Jakmile je záznam do paměti ukončen, může začít nový proces snímání hodnot napětí ze zesilovačů 10 až nO.Even in the chart on the coordinate recorder 700. However, they are previously recorded in memory. Once the memory recording is complete, a new process of sensing voltage values from the 10 to 10 amplifiers can begin.

Vzhledem k tomu, že celý tento proces je velmi rychlý, řádově milisekundy či méně, je možno zjištovat směr rychlosti a velikost rychlosti větru prakticky spojitě. Není to však nutné, nebot celý proces lze řídit programem nebo podle přání operátora.Since the whole process is very fast, in the order of milliseconds or less, it is possible to determine the direction of the wind speed and the magnitude of the wind speed practically continuously. However, this is not necessary as the entire process can be controlled by the program or at the operator's request.

V případě, že na tlak citlivé elektrické převodníky 1 až n jsou rozloženy v ploše na kouli 1 010, probíhá snímání napětí z výstupů zesilovačů 10 až nO obdobně jako v předchozím případě. Rozdíl je v tom, že proces snímání a transformace trvá déle a vyhodnocování je provedeno funkcí v prostoru a je tak určen vektor rychlosti v prostoru. Celý proces lze však urychlit například tak, že vždy každá řada na tlak citlivých převodníků 1 až n je .napojena na svoje vlastní přepínací obvody 100, vlastní vzorkovací obvody 200 a analogočíslicové převodníky 300. Proces snímání tak může probíhat na všech rovnoběžkách současně.If the pressure-sensitive electrical converters 1 to n are distributed over the area of the sphere 1 010, the voltage sensing from the outputs of the amplifiers 10 to 10 is similar to the previous case. The difference is that the sensing and transformation process takes longer, and the evaluation is done by a function in space, and a speed vector in space is determined. However, the process can be accelerated, for example, by each line of pressure-sensitive transducers 1 to n connected to its own switching circuitry 100, its own sampling circuitry 200 and analog-to-digital converter 300. Thus, the scanning process can run simultaneously on all parallel lines.

Je možno též volit současné snímání z poledníků.Simultaneous scanning from meridians can also be selected.

Možnosti využiti vynálezu jsou široké.'Zařízení může pracovat bud samostatně, nebo může být součástí meteorologické stanice. Lze ho použít v meteorologii obecně nebo speciálně v zemědělství či lesnictví, například jako součást mikropočítačového řízení klimatu ve sklenících apod.The apparatus can be operated either alone or as part of a weather station. It can be used in meteorology in general or specifically in agriculture or forestry, for example as part of microcomputer climate control in greenhouses, etc.

Zařízení pro snímání vektoru rychlosti větru může mít svůj význam v lesním hospodářství, kde některé druhy větrů způsobují kalamity. Řada lesních porostů je situována na svazích a vektor rychlosti je tu obvykle situován v jiné poloze než horizontální. Jeho absolutní velikost daná rychlostí větru je podstatně vyšší, než by byla naměřena anemometrem, snímajícím rychlost větru ve vodorovné rovině.A wind speed vector sensing device can be of importance in forestry where some types of wind cause calamities. Many forest stands are situated on slopes and the velocity vector is usually situated in a different position than the horizontal one. Its absolute magnitude given by the wind speed is significantly higher than would be measured by an anemometer sensing the wind speed in a horizontal plane.

Claims

1. Device for measuring wind speed and direction, characterized in that the casing of the stationary rotary body are mounted on a pressure-sensitive electrical transducers connected through amplifiers (10 to nO) to the switching circuitry (100) whose ^one output is connected to a sampling circuit (200 ) followed by an analog-to-digital converter (300) connected to the evaluation circuits (400) and the control circuits (402).

Device according to claim 1, characterized in that the stationary rotary body is in the form of a cylinder (1000).

Device according to claim 1, characterized in that the immovable rotary body is ball-shaped (1 010).

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the pressure-sensitive electrical transducers (1 to n) consist of pressure-sensitive transistors.

Device according to claim 1, characterized in that the evaluation circuits (400) consist of a microprocessor or a microcomputer.

6. Device according to some of claims 1, 3, 4 and 5, characterized in that the pressure-sensitive elec- trical · ¹ transmitters (1 to n) on the ball (1010) disposed in an area in a band around the equator.

Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that an electronic display (500) is connected to the evaluation circuits (400).

Device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a printer (600) is connected to the evaluation circuits (400).

Device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that a coordinate recorder (700) is connected to the evaluation circuits (400).

10. Apparatus according to claim 1 and 3, characterized in that it comprises switching circuits (100), a sampling circuit (200) and an analog-to-digital converter as many times as the rows of pressure-sensitive electrical converters are located on the ball (1 010).