RU208766U1

RU208766U1 - Акустический анемометр

Info

Publication number: RU208766U1
Application number: RU2021127373U
Authority: RU
Inventors: Алексей Викторович Ёлкин; Сергей Александрович Денисенко; Николай Иванович Симонов; Олег Алексеевич Волков; Андрей Николаевич Симонов
Original assignee: Акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2022-01-12

Abstract

Полезная модель используется в измерительной технике, а именно в устройствах для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, а также в метеорологии и геофизике.Задача: расширение диапазона измерений и повышение их точности и достоверности при наличии акустических шумов, расширение температурного диапазона функционирования и улучшение эксплуатационных характеристик.Сущность: в акустический анемометр, состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, предварительного усилителя и устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, дополнительно введены коммутатор и четыре нагревателя, расположенные по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим обратимым акустическим приемопередатчиком, и подключенные к коммутатору, силовой вход которого подключен к шине питания акустического анемометра, а его вход управления подключен к вычислительному устройству, акустический отражатель выполнен в виде сегмента сферической поверхности, вершина которого совмещена с вертикальной осью связанной системы координат и удалена от центра связанной системы координат на высоту, равную радиусу сферы, плоскость основания сегмента сферы перпендикулярна вертикальной оси связанной системы координат и обращена в сторону плоскости поддерживающей структуры, радиус сферы определяется соотношением R=2L, где R и L - соответственно, радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков определяется соотношением α=arctg(L/R), а диаметр окружности основания сегмента сферы определяется соотношением d=2*R*Vmax/Vamin*sinα, где d - диаметр окружности основания; Vmaxи Vamjn- соответственно, максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе. 5 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, и может быть использовано в метеорологии и геофизике.

Известен акустический измеритель скорости потока газов в трубах [1], основанный на измерении разности времен прихода излучаемого акустического сигнала к датчикам, расположенным по и против потока газа.

Измеритель содержит акустическую систему в виде излучателя звуковых сигналов и микрофонов в качестве детекторов звука, которые размещаются в измерительной трубе на определенном расстоянии друг от друга, а также генератор акустических сигналов, посредством которого сигналы подаются на звуковой излучатель, и коррелятор, на который поступают сигналы от микрофонов. В качестве акустического сигнала применяется непрерывный тональный сигнал, для вычисления разности времени прихода применен корреляционный вычислитель, а для вычисления скорости потока газа необходимо знание скорости распространения звука в заданной газовой среде. Скорость распространения звука табулируется в зависимости от температуры газа, поэтому известный прибор снабжен датчиком температуры. Однако данный измеритель используют только для измерения скорости потока, а необходимость априорного знания скорости звука существенно усложняет как конструкцию устройства, так и алгоритм его функционирования.

Известно устройство для определения величины и направления вектора воздушного потока [2], состоящее из 3-х ультразвуковых зондов и температурного датчика в комбинации с электронным вычислительным контуром для вывода сигналов воздушного движения, показывающим величину и направление, по крайней мере, на трех координатных осях.

Устройство содержит на одной центральной стойке три ультразвуковых излучателя, расположенных под углом 120°, и три приемника напротив каждого излучателя на своей стойке, а разница времен прихода определяется по высокоскоростным часам. Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.

Известен акустический анемометр [3], состоящий из вычислительного устройства для задания и обработки сигналов и датчика температуры, соединенного с ним, генератора электрических сигналов, излучателя и приемников акустических сигналов, установленных на поддерживающей структуре и расположенных на равных расстояниях от излучателя.

В качестве генератора используют генератор коротких импульсных сигналов, излучатель и приемники акустических сигналов расположены в одной плоскости, а поддерживающая структура выполнена в виде прямого креста, в центре которого установлен излучатель, а на концах размещены акустические приемники, при этом излучатель дополнительно снабжен усилителем мощности, а приемники предварительными усилителями.

Однако серьезные недостатки конструкции и алгоритма функционирования известного акустического анемометра приводят к грубым ошибкам измерений и существенным затруднениям его практической реализации.

Известен акустический анемометр [4], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков приемников акустического сигнала, расположенных на поддерживающей структуре на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, устройства коммутации, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, и четырех виброизоляторов, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, первый выход которого подключен к другому входу вычислительного устройства, а его второй выход подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы и наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между приемопередатчиками одной оси деленную на тангенс угла наклона приемопередатчиков.

К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести низкую точность измерений, обусловленную ограниченным быстродействием электроакустических преобразователей, усилителя и генератора известного устройства, наличием задержек при излучении и приеме ультразвукового сигнала.

Известен акустический анемометр [5], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур и дополнительного виброизолятора, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, вторая поддерживающая структура соединена с первой поддерживающей структурой, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор, его рабочая поверхность совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков и параллельна плоскости первой поддерживающей структуры, при этом центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, выход приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя.

Существенным недостатком известного акустического анемометра является ограничение верхнего диапазона измерений и наличие грубых ошибок из-за воздействия внешних акустических помех. Источниками внешних акустических помех являются аэродинамические трубы, в которых проводят калибровку и поверку измерителей скорости потока газов, а также оборудование и летательные аппараты в местах эксплуатации акустического анемометра

Известен акустический анемометр [6], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а также предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, последовательно соединенных инвертирующего и суммирующего усилителей, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, первого и второго приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно друг относительно друга, первого и второго дополнительного виброизолятора_, при этом акустические приемопередатчики установлены на первую поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, первый приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через первый дополнительный виброизолятор так, что рабочая поверхность первого дополнительного виброизолятора и верхняя поверхность первого дополнительного виброизолятора совмещена со второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность первого приемника акустического сигнала обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков, а ее центр удален от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, выход первого приемника акустического сигнала соединен с входом предварительного усилителя, при этом второй приемник акустического сигнала установлен на первую поддерживающую структуру через второй дополнительный виброизолятор вне пределов диаграммы излучения обратимых акустических приемопередатчиков, поверхность второго дополнительного виброизолятора совмещена с поверхностью первой поддерживающей структуры, рабочая поверхность второго приемника акустического сигнала обращена в сторону первого приемника акустического сигнала, при этом центры рабочих поверхностей первого и второго приемников акустического сигнала лежат на одной оси связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры, выход второго приемника акустического сигнала соединен с входом инвертирующего усилителя, второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом предварительного усилителя, выход суммирующего усилителя подключен к вычислительному устройству.

К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести недостаточную помехозащищенность, точность и надежность измерений, зависящую от уровня газового потока, сложность конструкции акустического анемометра и его производства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является акустический анемометр [7], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов и предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, при этом выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, управляющий вход устройства коммутации подключен к вычислительному устройству, акустический отражатель удален от поддерживающей структуры на высоту, равную половине расстояния между обратимыми акустическими приемопередатчиками одной оси деленного на тангенс угла наклона обратимых акустических приемопередатчиков, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.

Главными недостатками известного акустического анемометра являются низкая точность измерений, обусловленная воздействием составляющей измеряемого газового потока на акустический сигнал, наличие ошибок измерений из-за воздействия внешних акустических помех, низкую надежность и ограниченный температурный диапазон функционирования.

Это связано с тем, что в процессе измерений реальная длина измерительной базы будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от величины и направления газового потока, приводя к погрешностям измерений. Отклонение излучаемого акустического сигнала при повышенных скоростях газового потока будет приводить к его смещению за пределы диаграммы направленности акустического приемопередатчика и к значительному ослаблению уровня принимаемого сигнала, следовательно, к потере работоспособности известного акустического анемометра. При этом акустические приемопередатчики имеют значительный технологический разброс параметров, существенно зависящих от внешних факторов, и ограниченный нижний порог температуры функционирования, что не соответствует условиям эксплуатации метеорологических приборов, для которых установленный нижний порог температурного диапазона функционирования составляет -55°C. Следует отметить, что опыт эксплуатации известных акустических анемометров показывает, что максимальный уровень акустических помех сосредоточен в диапазоне от 15 кГц до 90 кГц.

Указанные недостатки создают серьезные затруднения в разработке и изготовлении компактных ультразвуковых измерителей и ограничивают их эксплуатационные характеристики.

Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение диапазона измерений и повышение их точности и достоверности при наличии акустических шумов, расширение температурного диапазона функционирования и улучшение эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого акустического анемометра, который, как и прототип, состоит из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, предварительного усилителя и устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.

В отличие от прототипа в предлагаемый акустический анемометр дополнительно введены коммутатор и четыре нагревателя, расположенные по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим обратимым акустическим приемопередатчиком и подключенные к коммутатору, силовой вход которого подключен к шине питания акустического анемометра, а его вход управления подключен к вычислительному устройству, акустический отражатель выполнен в виде сегмента сферы, вершина которого совмещена с вертикальной осью связанной системы координат и удалена от центра связанной системы координат на высоту, равную радиусу сферы, плоскость основания сегмента сферы перпендикулярна вертикальной оси связанной системы координат и обращена в сторону плоскости поддерживающей структуры, радиус сферы определяется соотношением R=2L, где R и L - соответственно, радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков определяется соотношением α=arctg(L/R), диаметр окружности основания сегмента сферы определяется соотношением d=2_*R_*V_max/Va_min*sinα, где d - диаметр окружности основания, V_max и Va_min- соответственно, максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению коммутатора и четырех нагревателей, расположенных по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим обратимым акустическим приемопередатчиком и подключенные к коммутатору, силовой вход которого подключен к шине питания анемометра, а вход управления подключен к вычислительному устройству, а акустический отражатель выполнен в виде сегмента сферы, вершина которого совмещена с вертикальной осью связанной системы координат и удалена от центра связанной системы координат на высоту, равную радиусу сферы, плоскость основания сегмента сферы перпендикулярна вертикальной оси связанной системы координат и обращена в сторону плоскости поддерживающей структуры, радиус сферы определяется соотношением R=2L, где R и L- соответственно, радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков определяется соотношением α=arctg(R/L), а диаметр окружности основания сегмента сферы определяется соотношением d=2_*R_*V_max/Va_min*sinα, где d - диаметр окружности основания, а V_max и Va_min - соответственно, максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе, и их взаимодействием с остальными элементами акустического анемометра, обеспечивается расширение диапазона измерений газового потока, повышение точности и достоверности измерений даже при наличии акустических шумов, так как обеспечивается использование высокочастотных обратимых акустических приемопередатчиков с узкой диаграммой направленности, а также повышение надежности его функционирования при пониженных температурах.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема акустического анемометра, на фиг. 2 и 3 - представлена схема расположения обратимых акустических приемопередатчиков, нагревателей, виброизоляторов и акустического отражателя относительно поддерживающей структуры, на которой оси X, Y, Z образуют связанную прямоугольную систему координат XYZ, а на фиг. 4 и 5 - представлены схемы траекторий движения акустического сигнала от передающего к принимающему приемопередатчику в плоскости XOZ при отсутствии (пунктирные линии) и при наличии (сплошные линии) измеряемого газового потока. Штрихпунктирными линиями показана траектория движения акустического сигнала, отраженного от плоского отражателя.

Акустический анемометр состоит из вычислительного устройства 1, подключенных к нему датчика температуры 2, генератора электрических сигналов 3, предварительного усилителя 4 и устройства коммутации 5, последовательно соединенных согласующего устройства 6, дифференцирующего устройства 7 и первого компаратора 8, а также второго компаратора 9, триггера 10, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄, установленных через виброизоляторы 12₁, 12₂, 12₃, 12₄ на поддерживающую структуру 13 и наклоненных в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположенных на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, акустического отражателя 14, соединенного с поддерживающей структурой 13, коммутатора 15 и четырех нагревателей 16₁,16₂,16₃,16₄, расположенных по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим обратимым акустическим приемопередатчиком и подключенные к коммутатору 15, силовой вход которого подключен к питанию акустического анемометра Uп, а вход управления подключен к вычислительному устройству 1, выходы обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄, подключены к входам устройства коммутации 5, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя 4, выход генератора электрических сигналов 3 подключен к другому входу устройства коммутации 5, управляющий вход устройства коммутации 5 подключен к вычислительному устройству 1, вход второго компаратора 9 соединен с выходом дифференцирующего устройства 7, а его выход подключен к первому входу триггера 10, выход которого подключен к второму входу первого компаратора 8, вход согласующего устройства 6 подключен к первому выходу коммутатора 5, выход первого компаратора 8 подключен к второму входу триггера 10 и к другому входу вычислительного устройства 1, акустический отражатель 14 выполнен в виде сегмента сферической поверхности, вершина которого совмещена с вертикальной осью связанной системы координат, удалена от центра связанной системы координат на высоту, равную радиусу сферы, плоскость основания сегмента сферы перпендикулярна вертикальной оси связанной системы координат и обращена в сторону плоскости поддерживающей структуры 13, радиус сферы, определяется соотношением R=2L, где R и L - соответственно, радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄определяется соотношением α=arctg(R/L), где α - угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков, диаметр окружности основания сегмента сферической части отражателя определяется соотношением d=2_*R_*V_max/Va_min*sinα, где d - диаметр окружности основания, V_max и Va_min - соответственно максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе.

В качестве вычислительного устройства 1 применяют, например, микроконтроллеры серии AtmelMega AVR, AT90USB 162-16AU и др, имеющие встроенные аналогово-цифровые преобразователи и таймеры, позволяющие осуществить как оцифровку поступающих на входы сигналов, так и измерение времени прохождения акустических импульсов от излучателя к приемникам.

В качестве обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄ целесообразно использовать диффузионные малогабаритные акустические приемопередатчики с рабочей частотой не менее 100 кГц, имеющие небольшие габариты и диаграмму излучения 10-20 градусов, например, пьезокерамические преобразователи фирмы MURATA, в качестве датчика температуры 2, например, термометр сопротивления.

Поддерживающая структура 13 представляет собой, например, прямоугольную или круглую металлическую пластину. Акустический отражатель 14 предназначен для компенсации отклонения направления излучаемого акустического сигнала от расчетной траектории, возникающего в результате воздействия измеряемого газового потока. Может быть выполнен из металла или пластмассы в виде сегмента сферической поверхности, диаметр окружности плоскости основания сегмента сферической части акустического отражателя 14 определяется соотношением d=2_*R_*V_max/Va_min*Sinα, где d - диаметр окружности основания сегмента, V_max и Va_min - соответственно, максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе, радиус сферы, определяется соотношением R=2L, где R и L - соответственно радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат.

Виброизоляторы 12₁, 12₂, 12₃ и 12₄ изготавливаются на основе звукопоглащающих материалов и обеспечивают защиту приемопередатчиков от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции. Нагреватели 16₁, 16₂, 16₃, 16₄ предназначены для обеспечения допустимого температурного режима работы обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄и могут быть реализованы, например, в виде обмоток обогрева из манганинового провода или специальных пленок, устанавливаемых на корпуса обратимых акустических приемопередатчиков.

Устройство коммутации 5 и коммутатор 15 предназначены для обеспечения прямого или перекрестного подключения двух любых входов к соответствующим своим выходам по сигналам вычислительного устройства 1 и могут быть реализованы на основе широкой номенклатуры МОП-ключей и интегральных дешифраторов, например, серий 590, 591, или аналоговых переключателей, например, ADG1436YRuZ, и других. Согласующее устройство 6 обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄до рабочих значений операционных усилителей и интегральной логики и может быть реализовано, например, на частотнокомпенсированных делителях напряжения. Остальные устройства (дифференцирующее устройство 7, компараторы 8 и 9, триггер 10) могут быть реализованы на основе широкой номенклатуры элементов аналоговой и цифровой техники, например, серий 1533, 564 и др.

Компоновка акустического анемометра конкретными составляющими элементами зависит от предъявляемых требований к анемометру и области его дальнейшего использования, в том числе и от требуемой точности измерений векторов скорости потока.

Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направления.

Заявляемый анемометр работает следующим образом.

При включении акустического анемометра вычислительное устройство 1 производит контроль данных, поступающих с датчика температуры 2. В случае, когда температура, измеренная датчиком температуры 2, будет ниже допустимого уровня, вычислительное устройство 1 начинает периодически подключать обогреватели 16_1,16₂,16₃ и 16₄ через коммутатор 15 к шине питания акустического анемометра Uп, нагревая их в течение времени, определяемого опытным путем в зависимости от мощности обогревателей и температуры окружающей среды. В результате, обеспечивается допустимый температурный режим работы акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄в заданных пределах, что предотвращает возможные сбои измерений, которые имели место в известном устройстве при изменении температуры окружающей среды.

Если значения текущих уровней температуры допустимы для работы акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃, 11₄, или они обогреваются в течении заданного времени, то вычислительное устройство 1 начинает цикл измерений проекций вектора скорости газового потока и расчета модуля вектора скорости и его направления. При этом вычислительное устройство 1 вырабатывает последовательность сигналов, поступающих одновременно на входы генератора 3 и устройства коммутации 5. Устройство коммутации 5 с каждым управляющим сигналом проводит последовательно перекрестное переключение пары приемопередатчиков каждой координатной оси к выходу генератора 3 и к входу предварительного усилителя 4, обеспечивая подготовку режимов измерения времени движения акустического сигнала от передающего к принимающему приемопередатчику соответствующей пары. Генератор 3 по каждому управляющему сигналу вычислительного устройства 1 генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые возбуждают подключенный к нему в этот момент приемопередатчик, например 11_ь который начинает формирование и излучение акустического сигнала в направлении акустического отражателя 14 под углом а вдоль оси X. Одновременно электрический сигнал генерирующего приемопередатчика, например через первый выход устройства коммутации 5 поступает через согласующее устройство 6, обеспечивающее преобразование уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков до рабочих значений операционных усилителей, на вход дифференцирующего устройства 7, которое на своем выходе формирует сигнал, огибающая которого содержит положительную и отрицательную составляющие. При этом первый максимум электрического сигнала генерирующего приемопередатчика, например, 11₁ соответствующий началу формирования и излучения акустического сигнала совпадает с моментом перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 через нулевой уровень. Положительным фронтом выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 с уровнем Uпор=Ua запускается второй компаратор 9, переключающий триггер 10 в единичное состояние, разрешающее работу первого компаратора 8. Компаратор 8 уровнем Uпор=0 в момент перехода огибающей выходного сигнала дифференцирующего устройства 7 через нулевой уровень формирует сигнал, который одновременно поступает на другой вход вычислительного устройства 1 и на второй вход триггера 10, переключающий его в нулевое состояние и запрещающий работу первого компаратора 8. В результате, на выходе первого компаратора 8 формируется короткий сигнал, фронт которого совпадает с моментом начала излучения акустического сигнала, запускающий отсчет времени движения акустического сигнала до принимающего приемопередатчика этой пары, например 11₃, исключая влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала, на точность измерений. При отсутствии газового потока V (проекции вектора его скорости на оси связанной системы координат Vx и Vy равны нулю) акустический сигнал, излучаемый передающим приемопередатчиком, например 11₁, под углом α вдоль оси Х, (см. фиг. 4), поступает в центр (точка А) акустического отражателя 14 под углом φ и, отразившись от него под этим же углом, поступает на принимающий приемопередатчик этой пары, например 11₃. Выходной сигнал приемопередатчика, например 11_3, через второй выход устройства коммутации 5 поступает на предварительный усилитель 4, усиливается и поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени tx1 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11₃. Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится переключение приемопередатчика, например, П₃ в режим приема, а второго приемопередатчика, например 11₃, в режим передачи и производится процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11₁ в обратном направлении (см. фиг. 5) аналогично описанному выше. При этом время движения акустического сигнала в прямом tx1 и обратном tx2 направлениях определяется соотношениями tx1=2L/(Va*cosα+Vx) и tx2=2L/(Va*cosα-Vx), где L - соответственно, расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, a Va - соответственно, скорость звука. Так как составляющая Vx=0, то tx1=tx2.

При наличии составляющей, например Vx, измеряемого газового потока V акустический сигнал, излучаемый передающим приемопередатчиком, например 11_1, в направлении акустического отражателя 14 под углом а вдоль оси X (см. фиг. 4), под действием этой составляющей, изменяет траекторию движения и достигает акустического отражателя 13 в точке В1 с координатами Х=Хв1, Z=Zb1 под углом φ1. Так как акустический отражатель 14 выполнен в виде сектора сферы, акустический сигнал, излучаемый передающим приемопередатчиком, например 11_1, отразится под углом φ1 в направлении приемопередатчика, например 11₃. Без учета влияния составляющей, например Vx, измеряемого газового потока траектория движения отраженного акустического сигнала (см. фиг. 4) должна пересечь ось X под углом Ω1b точке M1 с координатами X=Xм1 и Z=Zм1=0. Однако, под действием проекции Vx вектора скорости измеряемого газового потока происходит изменение траектории движения отраженного акустического сигнала, которая пересекает ось X под углом ω1 в точке N1 с координатами X=Xn1 и Z=Zn1=0, a отраженный акустический сигнал поступает на принимающий приемопередатчик этой пары, например 11₃. Для сравнения на чертеже (см. фиг. 4) штрихпунктирными линиями показана траектория движения отраженного акустического сигнала от плоского акустического отражателя при отсутствии составляющей, например Vx, измеряемого газового потока, которая пересекает ось X в точке D1, положение которой значительно удалено от приемной площадки приемопередатчика этой пары, например 11₃. Выходной сигнал приемопередатчика, например 11₃, через второй выход устройства коммутации 5 поступает на предварительный усилитель 4, усиливается и поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени tx1 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11₃. Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится переключение приемопередатчика, например, 11b в режим приема, а второго приемопередатчика, например 11₃, в режим передачи и производится процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемопередатчика 111 в обратном направлении (см. фиг. 5) аналогично описанному выше. При наличии составляющей, например Vx, измеряемого газового потока V акустический сигнал, излучаемый передающим приемопередатчиком, например11₃ в направлении акустического отражателя 14 под углом α вдоль оси X (см. фиг. 5), под действием этой составляющей, изменяет траекторию движения и достигает акустического отражателя 14 в точке В2 с координатами Х=Хв2 и Z=Zв2 под углом φ2. Так как акустический отражатель 14 выполнен в виде сектора сферы, акустический сигнал, излучаемый передающим приемопередатчиком, например 11₃, отразится под углом φ2 в направлении приемопередатчика, например 11₁. Без учета влияния составляющей, например Vx, измеряемого газового потока траектория движения отраженного акустического сигнала (см. фиг. 4) должна пересечь ось X под углом Ω2 в точке М2 с координатами Х=Хм2, Z=Zм2=0. Однако, под действием проекции Vx вектора скорости измеряемого газового потока, происходит изменение траектории движения отраженного акустического сигнала, которая пересекает ось X под углом ω2 в точке N2 с координатами Х=Хn2 и Z=Zn2=0, а отраженный акустический сигнал поступает на принимающий приемопередатчик этой пары, например 11₁. Для сравнения на чертеже (см. фиг. 4) штрихпунктирными линиями показана траектория движения отраженного акустического сигнала от плоского акустического отражателя при отсутствии составляющей, например Vx, измеряемого газового потока, которая пересекает ось X в точке D2, положение которой значительно удалено от приемной площадки приемопередатчика этой пары, например 11₁. Выходной сигнал приемопередатчика, например 11₁ через второй выход устройства коммутации 5 поступает на предварительный усилитель 4, усиливается и поступает на вход вычислительного устройства 1. Последнее прекращает процесс измерения времени tx2 движения акустического сигнала до приемопередатчика 11₁.

Таким образом, при наличии газового потока V проекции вектора его скорости на оси связанной системы координат будут Vx и Vy, соответственно. В результате получаем систему уравнений, связывающую время распространения акустического импульса вдоль осей связанной системы координат (например, вдоль оси X), в виде:

tx1=(L+Xв1)/(Va*cosα+Vx)+(Xn1-Xв1)/(Va*cosΩ1+Vx) tx2=(Хв2/(Va*cosα-Vx)+(L-Xn2+Xв2)/(Va*cosΩ2-Vx)/

Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx.

Решением аналогичных уравнений для пары приемников, расположенных вдоль оси Y являются параметры Va и Vy.

После получения вышеназванных параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V как

V²=V²x+V²y

и угол направления ветра β в связанной системе координат как:

P=arcos(Vy/V),

а также атмосферное давление Р как функцию скорости звука Va и температуры Т, постоянно измеряемую датчиком температуры:

P=F(V,Т)

Функции расчетов всех вышеуказанных параметров возлагаются на вычислительное устройство 1.

Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного акустического анемометра позволяет повысить надежность его функционирования при пониженных температурах, расширить верхний диапазон измерений и существенно улучшить эксплуатационные характеристики, в том числе, и точность измерений.

Кроме того, обеспечивает использование высокочастотных обратимых акустических приемопередатчиков с узкой диаграммой направленности, что позволяет существенно снизить требования к уровню акустических шумов оборудования для калибровки предлагаемого акустического анемометра, следовательно, стоимость этого оборудования и расходы на процесс аттестации предлагаемого акустического анемометра, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.

ИСТОЧНИКИИ ИНФОРМАЦИИ

1. США, патент на изобретение №5421212, МПК: G01P 5/01, опубл. 06.06.1995.

2. США, патент на изобретение №4038870, МПК: G01P 5/01, опубл. 02.08.1977.

3. Российская Федерация, патент на полезную модель №44391 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.03.2005

4. Российская Федерация, патент на полезную модель №153990 МПК: G01P 5/01, опубл. 10.08.2015 г.

5. Российская Федерация, патент на полезную модель №164305 МПК:G01P 5/01, опубл. 27.08.2016 г.

6. Российская Федерация, патент на полезную модель №169800 МПК: G01P 5/01, опубл. 03.04.2017 г.

7. Российская Федерация, патент на полезную модель №160408 МПК: G01P 5/01, опубл. 20.03.2015 г. - прототип.

Claims

Акустический анемометр, состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, предварительного усилителя и устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, а также второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков и четырех виброизоляторов, акустического отражателя, соединенного с поддерживающей структурой, при этом акустические приемопередатчики установлены на поддерживающую структуру через виброизоляторы, наклонены в вертикальной плоскости навстречу друг к другу на одинаковые углы и расположены на равных расстояниях от центра осей связанной системы координат, лежащей в плоскости, параллельной плоскости поддерживающей структуры, выходы обратимых акустических приемопередатчиков подключены к входам устройства коммутации, второй выход которого подключен к входу предварительного усилителя, выход генератора электрических сигналов подключен к другому входу устройства коммутации, вход второго компаратора соединен с выходом дифференцирующего устройства, а его выход подключен к первому входу триггера, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен к второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены коммутатор и четыре нагревателя, расположенные по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим обратимым акустическим приемопередатчиком, и подключенные к коммутатору, силовой вход которого подключен к шине питания акустического анемометра, а его вход управления подключен к вычислительному устройству, акустический отражатель выполнен в виде сегмента сферической поверхности, вершина которого совмещена с вертикальной осью связанной системы координат и удалена от центра связанной системы координат на высоту, равную радиусу сферы, плоскость основания сегмента сферы перпендикулярна вертикальной оси связанной системы координат и обращена в сторону плоскости поддерживающей структуры, радиус сферы определяется соотношением R=2L, где R и L - соответственно, радиус сферы и расстояние от каждого обратимого акустического приемопередатчика одной оси до центра осей связанной системы координат, угол наклона обратимых акустических приемопередатчиков определяется соотношением α=arctg(L/R), а диаметр окружности основания сегмента сферы определяется соотношением d=2_*R_*V_max/Va_min*sinα, где d - диаметр окружности основания; V_max и Va_min - соответственно, максимально измеряемая скорость газового потока и минимальная скорость ультразвука в воздухе.