RU2073872C1 - Device for measurement of horizontal wind velocity - Google Patents
Device for measurement of horizontal wind velocity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2073872C1 RU2073872C1 RU93043904A RU93043904A RU2073872C1 RU 2073872 C1 RU2073872 C1 RU 2073872C1 RU 93043904 A RU93043904 A RU 93043904A RU 93043904 A RU93043904 A RU 93043904A RU 2073872 C1 RU2073872 C1 RU 2073872C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- block
- vane
- wind
- addition
- Prior art date
Links
Landscapes
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области метеорологического приборостроения. The invention relates to the field of meteorological instrumentation.
Известны устройства для измерения скорости и направления горизонтального ветра, состоящие из двух отдельных первичных приборов [1] измерителя скорости, представляющего собой аксиальную вертушку (вертушку пропеллерного типа) или тангенциальную вертушку (вертушку чашечного типа) с датчиком угловой скорости ее вращения; измерителя направления, обычно выполняемого в виде установленного на вертикальной оси флюгерного датчика. Known devices for measuring the speed and direction of horizontal wind, consisting of two separate primary devices [1] speed meter, which is an axial pinwheel (pinwheel type propeller) or tangential pinwheel (pin type pinwheel) with a sensor of angular velocity of its rotation; direction meter, usually performed in the form of a vane sensor mounted on the vertical axis.
Этим устройствам присущи два существенных недостатка, суть которых заключается в следующем. These devices have two significant drawbacks, the essence of which is as follows.
Во-первых, поскольку неподвижная (относительно некоторой базовой системы координат, жестко связанной с земной поверхностью или с корпусом движущегося объекта, на котором проводится измерение ветра) ось (плоскость) максимальной чувствительности аксиальной (тангенциальной) вертушки наперед ориентирована по наиболее вероятному направлению ветра, то при скосах воздушного потока от этого направления возникает методическая погрешность измерения скорости
где относительная погрешность измерения скорости ветра,
γ угол скоса воздушного потока от наиболее вероятного его направления.Firstly, since the axis (plane) of the maximum sensitivity of the axial (tangential) pinwheel is oriented forward in the most probable direction of the wind (with respect to a certain basic coordinate system rigidly connected with the earth’s surface or with the body of a moving object on which the wind is measured) when airflow bevels from this direction, a methodical error in the measurement of speed occurs
Where relative error in measuring wind speed,
γ angle of inclination of the air flow from its most probable direction.
Во-вторых, поскольку устанавливающий флюгер момент пропорционален скоростному напору воздушного потока, то при наличии трения в оси вращения флюгера возможна его зона нечувствительности (застоя)
где К, град•м2/c2 коэффициент, зависящий от размеров флюгера, плотности воздуха и величины момента трения в оси вращения флюгера, приводящая к погрешности измерения флюгерным датчиком направления ветра, тем большей, как следует из формулы (2), чем меньше скорость воздушного потока.Secondly, since the moment setting the vane is proportional to the pressure head of the air flow, in the presence of friction in the axis of rotation of the vane, its dead zone (stagnation) is possible
where K, deg • m 2 / s 2 is a coefficient depending on the dimensions of the vane, air density and the value of the friction moment in the axis of rotation of the vane, which leads to the measurement error of the wind direction sensor, the larger, as follows from formula (2), the smaller air flow rate.
Несколько лучшие точностные характеристики по каналу измерения скорости имеет известное [2] в метеорологическом приборостроении устройство для измерения скорости и направления ветра (принято за прототип), в котором чувствительный элемент измерителя скорости (вертушка) жестко связан с подвижной частью флюгерного датчика, что обеспечивает ориентацию оси максимальной чувствительности вертушки не по наиболее вероятному направлению воздушного потока, а по действительному (с точностью до зоны застоя) направлению. Выражение (1) для этого устройства имеет вид
Второй из указанных выше недостатков, а именно погрешность измерения флюгерным датчиком направления ветра при малых по модулю скоростях, вызванная зоной нечувствительности (2) флюгера при трении в его оси вращения, остается и в этом известном устройстве.The device for measuring wind speed and wind direction (adopted as a prototype) known in [2] in meteorological instrumentation has a slightly better accuracy characteristic for the velocity measurement channel [2], in which the sensitive element of the speed meter (pinwheel) is rigidly connected to the moving part of the vane sensor, which ensures axis orientation maximum turntable sensitivity not in the most probable direction of the air flow, but in the actual (up to the stagnation zone) direction. Expression (1) for this device has the form
The second of the above disadvantages, namely the error in measuring the direction of the wind with a vane sensor at low modulus speeds, caused by the dead zone of the vane during friction in its axis of rotation, remains in this known device.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения скорости и направления ветра при малых по модулю скоростях воздушного потока за счет введения поправки Δα, компенсирующей зону нечувствительности (застоя) флюгерного датчика. The technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring wind speed and direction at low modulus air flow rates by introducing a correction Δα, which compensates for the deadband of the vane sensor.
Указанный результат достигается тем, что на подвижной, устанавливающей по ветру части флюгерного датчика устанавливаются две вертушки с датчиком угловых скоростей n1 и n2 их вращения так, что их оси максимальной чувствительности симметрично развернуты от вертикальной плоскости (плоскости флюгера) в разные стороны на углы соответственно +αo и -αo, и введены первый блок сложения (n1 + n2), блок вычитания (n1 n2), блок деления сигналов блок формирования поправки
на зону нечувствительности флюгера, второй блок сложения α = αф+Δα, где αф выходной сигнал флюгерного датчика, и блок определения модуля скорости ветра
где крутизна статической характеристики (n f(v)) вертушки.This result is achieved by the fact that on the movable, wind-mounted part of the vane sensor, two turntables are installed with an angular velocity sensor n 1 and n 2 of their rotation so that their axes of maximum sensitivity are symmetrically rotated from the vertical plane (vane plane) to different angles respectively + α o and -α o , and the first addition block (n 1 + n 2 ), the subtraction block (n 1 n 2 ), the signal division block are introduced amendment unit
on the weather vane dead zone, the second addition unit α = α f + Δα, where α f the output signal of the vane sensor, and the unit for determining the wind speed module
Where steepness of the static characteristic (nf (v)) of the turntable.
Для доказательства существенности указанной совокупности отличительных признаков в достижении поставленной цели воспользуемся известным в технике восприятия параметров воздушного потока фактом, что угловая скорость вращения вертушки пропорциональна проекция вектора скорости воздушного потока на ось максимальной чувствительности, то есть
n = kvcosγ, (6)
где γ угол скоса потока. При наличии зоны нечувствительности Da угловые скорости n1 и n2 вращения вертушек, развернутых относительно вертикальной плоскости на углы +αo и -αo, будут соответственно
Из формул (7) и (8) следуют необходимость и достаточность для достижения поставленной цели предполагаемой совокупности отличительных признаков (при подстановке выражений (7) и (8) в выражения (4), (5) получаются тождества).To prove the significance of this set of distinctive features in achieving this goal, we will use the fact that the rotational speed of the spinner is proportional to the projection of the air velocity vector on the axis of maximum sensitivity, that is, known in the technique of perceiving air flow parameters
n = kvcosγ, (6)
where γ is the bevel angle of the flow. In the presence of a dead zone Da, the angular velocities n 1 and n 2 of rotation of the turntables, rotated relative to the vertical plane by the angles + α o and -α o , will be, respectively
Formulas (7) and (8) imply the necessity and sufficiency of the proposed set of distinctive features to achieve the goal (when substituting expressions (7) and (8) into expressions (4), (5), identities are obtained).
По материалам отечественной и зарубежной патентно-технической литературы сущность идентичного или эквивалентного технического решения не обнаружена. Следовательно, заявляемое техническое решение является новым. Based on the materials of domestic and foreign patent-technical literature, the essence of an identical or equivalent technical solution was not found. Therefore, the claimed technical solution is new.
На чертеже представлена схема предлагаемого технического решения. The drawing shows a diagram of the proposed technical solution.
Устройство содержит флюгерный датчик 1, две вертушки 2 и 3 с датчиками 4 и 5 угловых скоростей их вращения, токосъемник 6, вторичный преобразователь флюгерного датчика 7 (преобразователь угла поворота подвижной части флюгерного датчика в электрический сигнал), блок вычитания 8, первый блок сложения 9, блок деления сигналов 10, блок формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11, второй блок сложения 12, блок определения модуля скорости 13. The device contains a vane sensor 1, two turntables 2 and 3 with sensors 4 and 5 of the angular velocity of their rotation, a current collector 6, a secondary converter of the vane sensor 7 (a converter of the angle of rotation of the moving part of the vane sensor into an electrical signal), a subtraction unit 8, the first addition unit 9 , a block for dividing signals 10, a block for generating corrections for the deadband of the vane 11, a second block for addition 12, a unit for determining the speed module 13.
Вертушки 2, 3 жестко связаны с подвижной частью флюгерного датчика 1 и устанавливаются в ее передней части так, что их оси максимальной чувствительности симметрично развернуты от вертикальной плоскости (плоскости XOY флюгера) в разные стороны на углы соответственно +αo и -αo. Сигналы с датчиков 4 и 5 через токосъемник 6 подаются на блок вычитания 8 и первый блок сложения 9, при этом сигнал с датчика 4 подается на неинвертирующий вход блока вычитания 8, а сигнал с датчика 5 на инвертирующий вход блока вычитания 8. Сигналы с блоков 8 и 9 подаются на блок деления сигналов 10, причем сигнал с блока 8 подается на вход делимого, а сигнал с блока 9 на вход делителя. Выход блока деления сигналов 10 подключен к входу блока формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11 и к входу блока определения модуля скорости 13, на другой вход которого подается сигнал с первого блока сложения 9. Выходы блока формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11 и вторичного преобразователя 7 угла поворота флюгерного датчика подключены к входам второго блока сложения 12.Turntables 2, 3 are rigidly connected with the movable part of the vane sensor 1 and are installed in its front part so that their axes of maximum sensitivity are symmetrically rotated from the vertical plane (XOY plane of the vane) in different directions at angles + α o and -α o, respectively. The signals from sensors 4 and 5 through the current collector 6 are fed to the subtraction unit 8 and the first addition unit 9, while the signal from the sensor 4 is fed to the non-inverting input of the subtraction unit 8, and the signal from the sensor 5 is fed to the inverting input of the subtraction unit 8. Signals from blocks 8 and 9 are fed to the signal division 10, the signal from block 8 being fed to the input of the dividend, and the signal from block 9 to the input of the divider. The output of the signal division block 10 is connected to the input of the correction unit for the dead band of the weather vane 11 and to the input of the speed module determination block 13, the other input of which receives the signal from the first addition unit 9. The outputs of the correction block for the dead zone of the weather vane 11 and secondary transducer 7 the angle of rotation of the vane sensor is connected to the inputs of the second addition unit 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.
При обдуве флюгерного датчика 1 воздушным потоком флюгарка датчика отслеживает направление потока, при этом возникает зона нечувствительности Δα (угол между вектором скорости потока и продольной осью OX датчика), которая тем больше, чем меньше модуль вектора скорости потока. Наличие зоны нечувствительности приводит к тому, что вертушки 2 и 3 будут обтекаться под разными углами скоса потока, соответственно αo-Δα и αo+Δα. Сигналы с датчиков 4 и 5 будут пропорциональны соответственно величинам
Из выражений (7) и (8) видно, что сигналы с выходов блока вычитания 8 и первого блока сложения 9 будут зависеть как от величины зоны нечувствительности Δα, так и от величины модуля вектора скорости , т.е.When the vane sensor 1 is blown with air flow, the sensor vane tracks the direction of flow, and a dead zone Δα (the angle between the flow velocity vector and the longitudinal axis of the OX sensor), which is greater, the smaller the module of the velocity vector flow. The presence of a dead zone leads to the fact that the turntables 2 and 3 will flow around at different angles of the bevel of the flow, respectively, α o -Δα and α o + Δα. The signals from sensors 4 and 5 will be proportional to the values
It can be seen from expressions (7) and (8) that the signals from the outputs of the subtraction unit 8 and the first addition unit 9 will depend on both the deadband Δα and the magnitude of the velocity vector module , i.e.
n1-n2= 2kvsinαosinΔα, (9)
n1+n2= 2kvsinαosinΔα, (10)
а сигнал с выхода блока деления сигналов 10 от модуля вектора скорости зависеть не будет, а будет определяться лишь только величиной зоны нечувствительности флюгера Δα:
На основе этого факта и основано определение зоны нечувствительности в блоке 11, алгоритм которого
вытекает из выражения (11).n 1 -n 2 = 2kvsinα o sinΔα, (9)
n 1 + n 2 = 2kvsinα o sinΔα, (10)
and the signal from the output of the signal division unit 10 will not depend on the velocity vector module, but will be determined only by the value of the deadband vane Δα:
Based on this fact, the definition of the dead band in block 11 is based, the algorithm of which
follows from expression (11).
При подстановке (12) в (10) и разрешении последнего относительно v получаем алгоритм блока определения модуля вектора скорости ветра 13:
Кроме того, предлагаемое устройство имеет по сравнению с упомянутыми известными устройствами лучшие динамические характеристики по каналу измерения угла за счет того, что этот угол формируется как результат сложения сигналов, проходящих через встречно-параллельное соединение, одна из ветвей которого (элементы 2, 3, 4, 5, 8, 10, 11) имеет собственную частоту, в 10-15 раз большую, чем собственная частота основного флюгерного канала (ветвь формирования αф).Substituting (12) into (10) and resolving the latter with respect to v, we obtain an algorithm for determining the module of the wind velocity vector module 13:
In addition, the proposed device has, in comparison with the known devices, the best dynamic characteristics along the angle measurement channel due to the fact that this angle is formed as a result of the addition of signals passing through an anti-parallel connection, one of whose branches (elements 2, 3, 4 5, 8, 10, 11) has an eigenfrequency 10-15 times greater than the eigenfrequency of the main vane channel (formation branch α f ).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93043904A RU2073872C1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | Device for measurement of horizontal wind velocity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93043904A RU2073872C1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | Device for measurement of horizontal wind velocity |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93043904A RU93043904A (en) | 1996-05-27 |
RU2073872C1 true RU2073872C1 (en) | 1997-02-20 |
Family
ID=20147221
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93043904A RU2073872C1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | Device for measurement of horizontal wind velocity |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2073872C1 (en) |
-
1993
- 1993-09-02 RU RU93043904A patent/RU2073872C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Протопопов Н.Г. Проектирование ветроизмерительных приборов.- Л. : Гидрометиздат, 1973, с. 37 - 46. 2. Авторское свидетельство N 313155, кл. G 01 Р 5/05, 1971. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5205169A (en) | Angle of attack sensor using inverted ratio of pressure differentials | |
Coppin et al. | A three-component sonic anemometer/thermometer system for general micrometeorological research | |
US3548653A (en) | Direction and velocity determining apparatus | |
Ghaemi-Nasab et al. | A procedure for calibrating the spinning ultrasonic wind sensors | |
RU2073872C1 (en) | Device for measurement of horizontal wind velocity | |
CA1050152A (en) | Fluid current meter | |
Cook et al. | Calibration and use of a hot-wire probe for highly turbulent and reversing flows | |
US4361054A (en) | Hot-wire anemometer gyro pickoff | |
JPH09196959A (en) | Wind direction/speed indicator | |
RU58719U1 (en) | HELICOPTER SPEED METER | |
JP2512404B2 (en) | Two-way crossover ultrasonic flow meter | |
JPH063458B2 (en) | Method and apparatus for calibrating anemometer in low-speed air flow | |
JPH09288121A (en) | Wind vane and anemometer | |
USRE30900E (en) | Fluid current meter | |
GB2142439A (en) | Vorticity measuring apparatus | |
SU1160315A1 (en) | Device for measuring speed of gas or liquid flow | |
RU2036430C1 (en) | Method of determination of parameters of currents on sea surface | |
JPH0861956A (en) | Azimuth sensor | |
MAIDEN et al. | Flow velocity and directional instrument(Instrument for measuring magnitude and direction of flow velocity in flow field)[Patent] | |
Grekov et al. | IST-1 and IST-1M current-velocity meters under the sea and river conditions | |
Heneka et al. | Measuring errors of pneumatic multi-hole-probes | |
JPS59220649A (en) | Three-dimensional wind direction detector | |
JP3565374B2 (en) | Current meter | |
Cuerva et al. | The role of ultrasonic anemometry in wind engineering | |
SU1099103A1 (en) | Method of determination of angle pickup curvature |