RU210598U1 - Акустический анемометр - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике, а именно в устройствах для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, также может быть использовано в метеорологии и геофизике.

Задача: повышение точности и надежности измерений, упрощение конструкции акустического анемометра и его производства и улучшение эксплуатационных характеристик.

Сущность: акустический анемометр, состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры и генератора электрических сигналов, а также предварительного усилителя, устройства коммутации, согласующего устройства, первого компаратора, второго компаратора, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, четырех плоско-выпуклых акустических линз, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, 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 согласующего устройства подключен к первому выходу устройства коммутации, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность 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, акустические приемопередатчики и приемник акустического сигнала выполнены высокочастотными, акустические линзы, выполненные плосковыпуклыми, установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде, дополнен частотомером, при этом выход согласующего устройства подключен к входу первого компаратора, выход которого подключен к первому входу частотомера, выход приемника акустического сигнала подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу второго компаратора, выход второго компаратора подключен ко второму входу частотомера, выход которого подключен к входу вычислительного устройства. 3 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, обусловленная ограниченным быстродействием электроакустических преобразователей, усилителя и генератора известного устройства и 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 так же 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 ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому входу коммутатора, а выход первого компаратора подключен ко второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства.

К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести повышенные габариты, потребляемую мощность, низкую помехозащищенность и точность измерений, обусловленных воздействием составляющей акустического сигнала и электрического сигнала передающего обратимого акустического приемопередатчика на принимающий акустический приемопередатчик.

Известен акустический анемометр [6], 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 так же 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 ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, а выход первого компаратора подключен ко 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 которых оборудование для калибровки ив местах эксплуатации акустического анемометра.

Известен акустический анемометр [7], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а так же предварительного усилителя, устройства коммутации, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, и четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, 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 ко 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, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор, его рабочая поверхность совмещена со 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 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, сложность конструкции акустического анемометра и его производства.

Это связано с тем, что для полного подавления воздействия внешних акустических помех при его калибровке и эксплуатации необходимо обеспечение совпадения фаз и амплитуд гармоник акустических помех, воздействующих с разных направлений (в том числе и через элементы конструкции) на первый и второй приемники акустического сигнала. Это практически сложно обеспечить применением дополнительных устройств компенсации, что снижает надежность известного акустического анемометра и достоверность измерений. При этом опыт эксплуатации известных акустических анемометров показывает, что максимальный уровень акустических помех сосредоточен в диапазоне от 15 кГц до 90 кГц. Кроме того, в результате отклонения излучаемого акустического сигнала при повышенных скоростях газового потока будет приводить к его смещению за пределы диаграммы направленности приемника акустического сигнала и к значительному ослаблению уровня принимаемого сигнала, следовательно, к потере работоспособности известного акустического анемометра. Следует так же отметить, что конструкция известного акустического анемометра должна обеспечивать высокую точность взаимного расположения обратимых акустических приемопередатчиков, первого и второго приемника акустического сигнала, что существенно усложняет конструкцию и процесс изготовления известного акустического анемометра.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является акустический анемометр [8], состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры, генератора электрических сигналов, а также устройства коммутации, последовательно соединенных предварительного усилителя, полосового фильтра и приемника акустического сигнала, последовательно соединенных согласующего устройства, дифференцирующего устройства и первого компаратора, второго компаратора, триггера, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, четырех плоско-выпуклых акустических линз, дополнительного виброизолятора, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, 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 ко второму входу первого компаратора, вход согласующего устройства подключен к первому выходу коммутатора, выход первого компаратора подключен ко второму входу триггера и к другому входу вычислительного устройства, выход предварительного усилителя подключен к входу вычислительного устройства, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность 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, акустические приемопередатчики и приемник акустического сигнала выполнены высокочастотными, средняя частота полосового фильтра равна резонансной частоте обратимых акустических приемопередатчиков и приемника акустического сигнала, акустические линзы выполнены плоско-выпуклыми, установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде.

К недостаткам известного акустического анемометра следует отнести недостаточную точность и надежность измерений, сложность конструкции акустического анемометра и большую трудоемкость его производства.

Это связано с тем, что отклонение излучаемого акустического сигнала от расчетной траектории под воздействием газового потока приводит к неконтролируемому изменению расстояния между акустическим приемопередатчиком и приемником акустического сигнала и, следовательно, к снижению точности измерений и необходимости расширения объема градаций скорости при калибровке известного анемометра, приводящее к увеличению времени процесса его производства и дополнительным затратам. Кроме того, точность и достоверность измерений параметров газового потока существенно зависят от точности измерения времени движения акустического сигнала от передатчика до приемника, которое определяется точностью и надежностью фиксации моментов начала излучения и приема акустического сигнала, что в известном анемометре происходит однократно в течение длительности акустического сигнала. Это вызывает в свою очередь необходимость проведения повторных циклов измерений, что также приводит к увеличению времени процесса его производства и дополнительным затратам.

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

Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности и надежности измерений, упрощение конструкции акустического анемометра и его производства 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 и генератора электрических сигналов, а так же предварительного усилителя, устройства коммутации, согласующего устройства, первого компаратора, второго компаратора, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, четырех плоско-выпуклых акустических линз, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, 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 согласующего устройства подключен к первому выходу устройства коммутации, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность 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, акустические приемопередатчики и приемник акустического сигнала выполнены высокочастотными, акустические линзы, выполненные плосковыпуклыми, установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде.

В отличие от прототипа в него дополнительно введен частотомер, при чем выход согласующего устройства подключен к входу первого компаратора, выход которого подключен к первому входу частотомера, выход приемника акустического сигнала подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу второго компаратора, выход второго компаратора подключен ко второму входу частотомера, выход которого подключен к входу вычислительного устройства.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, благодаря введению частотомера, и подключения выхода согласующего устройства к входу первого компаратора, при этом выход которого подключен к первому входу частотомера, выход приемника акустического сигнала подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу второго компаратора, выход второго компаратора подключен ко второму входу частотомера, выход которого подключен входу вычислительного устройства, и их взаимодействием с остальными элементами устройства, позволило использовать новый алгоритм измерений, что обеспечило высокую точность, надежность и широкий диапазон измерений, а также практически исключить зависимость их качества от технологического разброса частотных параметров акустических передатчиков и изменения этих параметров при механическом креплении акустических передатчиков и в процессе эксплуатации. При этом снижается количество активных элементов, устраняются недостатки качества измерений от влияния неконтролируемых сдвигов траектории акустического сигнала под действием газового потока и недостаточной точности измерений времени движения акустического сигнала.

Следует отметить, что независимость точности измерения скорости воздушного потока от расстояния между акустическим передатчиком и приемником акустического сигнала на основе контроля частотных параметров акустических сигналов позволяет оптимизировать конструктивные параметры предлагаемого анемометра.

Кроме того, использование высокочастотных приемника и акустических передатчиков во взаимодействии с дополнительно в веденными элементами обеспечило эффективную защиту от внешних акустических помех в процессе производства и эксплуатации предлагаемого акустического анемометра и позволило снизить стоимость аттестационного оборудования.

В результате снижаются временные и материальные затраты при изготовлении и аттестации предлагаемого акустического анемометра и улучшаются эксплуатационные характеристики

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - изображена функциональная схема акустического анемометра, а на фиг.2 и 3 - представлена схема расположения обратимых акустических приемопередатчиков, акустических линз, приемника акустического сигнала, дополнительного виброизолятора, второй поддерживающей структуры, виброизоляторов относительно первой поддерживающей структуры, на которой оси X,Y,Z образуют связанную прямоугольную систему координат XYZ.

Акустический анемометр состоит из вычислительного устройства 1, подключенных к нему датчика температуры 2, генератора электрических сигналов 3, устройства коммутации 4, последовательно соединенных согласующего устройства 5 и первого компаратора 6, последовательно соединенных приемника акустического сигнала 7, предварительного усилителя 8 и второго компаратора 9, а так же частотомера 10, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄, установленных на поддерживающей структуре 12 через виброизоляторы 13₁, 13₂, 13₃ и 13₄, приемник акустического сигнала 7 установлен на второй поддерживающей структуре 14 через дополнительный виброизолятор 15, соединенной с первой поддерживающей структурой 12, и четырех акустических линз 16₁, 16₂, 16₃, 16₄, установленных соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄, выходы которых подключены к входам устройства коммутации 4, первый выход которого соединен с входом согласующего устройства 5, выход генератора 3 подключен к другому входу устройства коммутации 4, управляющий вход устройства коммутации 5 подключен к вычислительному устройству 1, выходы первого 6 и второго 9 компараторов подключены соответственно к первому и второму входам частотомера 10, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 1, акустические приемопередатчики 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄ расположены на поддерживающей структуре 12 на равных расстояниях L/2 от центра осей связанной системы координат XYZ, и наклонены в вертикальной плоскости к оси Z (навстречу друг к другу) на одинаковые углы α, вторая поддерживающая структура 14 соединена с первой поддерживающей структурой 12, приемник акустического сигнала 7 установлен на вторую поддерживающую структуру 14 через дополнительный виброизолятор 15 так, что его рабочая поверхность обращена в сторону обратимых акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄, совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры 14 и параллельна плоскости первой поддерживающей структуры 12, центр рабочей поверхности приемника акустического сигнала 7 удален от центра осей связанной системы координат XYZ, лежащей в плоскости, параллельной плоскости первой поддерживающей структуры 12, на высоту, Н, определяемую соотношением H=0.5L/tgα, приемник акустического сигнала 7 и обратимые акустические приемопередатчики 111, 112, Из и 114, выполнены высокочастотными, акустические линзы выполнены плоско-выпуклыми, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде.

В качестве вычислительного устройства 1 применяют, например, микроконтроллер серии AtmelMega AVR, имеющий встроенный аналогово-цифровой преобразователь и таймеры, позволяющие осуществить как оцифровку поступающих на входы сигналов, так и измерение времени прохождения акустических импульсов от излучателя к приемникам. В качестве частотомера применяют, например, микропроцессор АТ89С2051-24SU, микроконтроллер, например, серии Allen Bradley, имеющие несколько аналоговых входов, достаточный объем памяти и быстродействие.

В качестве обратимых акустических приемопередатчиков 12₁, 12₂, 12₃ и 12₄, и приемника акустического сигнала 15 целесообразно использовать специализированные малогабаритные высокочастотные акустические передатчики и приемники акустического сигнала 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, например, термометр сопротивления.

Первая 12 и вторая 14 поддерживающие структуры представляют собой, например, прямоугольные или круглые металлические пластины. При этом вторая поддерживающая структура 14 устанавливается симметрично и параллельно поддерживающей структуре 12.

Виброизоляторы 13₁, 13₂, 13₃ и 13₄, а так же дополнительный виброизолятор 15 отличаются конструктивно, но изготавливаются на основе звукопоглащающих материалов и обеспечивают защиту приемника акустического сигнала от паразитных акустических сигналов, распространяющихся по конструкции от приемопередатчиков.

Акустические линзы 16₁, 16₂, 16₃, 16₄ предназначены для изменения угла расходимости фронта акустического сигнала, обеспечиваемого разностью хода различных областей фронта рабочего акустического сигнала за счет переменной толщины акустической линзы, определяемой ее радиусом кривизны R, и значительной разностью (более 20 раз) скоростей акустического сигнала в воздухе и в материале акустической линзы. Угол раскрытия линзы определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде. Акустические линзы изготавливаются из материала, скорость звука в котором должна быть практически равной скорости звука в материале рабочей поверхности обратимого акустического приемопередатчика 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄. Установка акустических линз на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄ должна производиться с помощью эпоксидных клеев. Угол раскрытия акустических линз должен выбираться в зависимости от конструктивных параметров анемометра и превышать в два-три раза угол диаграммы излучения обратимого приемопередатчика.

Устройство коммутации 4 предназначено только для последовательного подключения своих входов к одному выходу и может быть реализовано на основе широкой номенклатуры МОП-ключей и интегральных дешифраторов, например, серий 590, 591 и др.

Согласующее устройство 5 обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄ до рабочих значений операционных усилителей и интегральной логики и может быть реализовано, например, на частотно компенсированных делителях напряжения. Остальные устройства (компараторы 6 и 9 и предварительный усилитель 8) 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.

Заявляемый анемометр работает следующим образом.

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

При отсутствии внешних акустических помех, например, создаваемых мощным электромеханическим оборудованием при калибровке предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, вычислительное устройство 1 вырабатывает последовательность сигналов, поступающих одновременно на входы генератора 3 и устройства коммутации 4. Устройство коммутации 4 с каждым управляющим сигналом проводит последовательно переключение приемопередатчиков 11₁, 11₂, 11₃ и 11₄ каждой координатной оси к выходу генератора 3, обеспечивая подготовку режимов измерения частот излучаемого акустического сигнала приемопередатчиком соответствующей пары и принимаемого акустического сигнала приемником акустического сигнала 4. Одновременно 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 11₁, который формирует акустический сигнал, представляющий затухающий автоколебательный процесс на резонансной частоте этого приемопередатчика. Одновременно электрическая составляющая сигнала генерирующего приемопередатчика, например, 11₁ через первый выход устройства коммутации 4 поступает на вход согласующего устройства 5, которое обеспечивает преобразования уровня огибающей высоковольтных сигналов генерации акустических приемопередатчиков до рабочих значений операционных усилителей. Выходные сигналы согласующего устройства 5 поступают на вход первого компаратора 6 с уровнем срабатывания Uпop=Ua, которое на своем выходе формирует последовательность коротких импульсов, частота которых равна резонансной частоте Fи₁ генерирующего обратимого приемопередатчика 11₁, поступающие на первый вход частотомера 10. После первого импульса этой последовательности обнуляется предыдущая информация частотомера 10 и запускается процесс измерения частоты Fи₁ излучаемого акустического сигнала в частотомере 10. Обеспечение задержки начала процесса измерения частоты Fи₁ излучаемого акустического сигнала в частотомере 10 исключает влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала на точность измерений. Излученный акустический сигнал передающим приемопередатчиком, например 11₁, поступает на акустическую линзу, например 16₁, соосно установленную на излучающую поверхность приемопередатчика 11₁. Акустическая линза 16₁ в соответствии с принципом ее работы расширяет угол диаграммы проходящего через нее акустического сигнала от приемопередатчика 11₁ до расчетного значения. Этот угол определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде. Прошедший акустическую линзу 16₁ акустический сигнал, распространяясь в направлении под углом α к приемнику акустического сигнала 7, в зависимости от уровня измеряемого ветрового потока может отклоняться, как это отмечалось ранее, от центра приемника акустического сигнала 15 за пределы его рабочей площадки, что приводило бы к нестабильности измерений или к потере работоспособности предлагаемого анемометра при использовании высокочастотного приемопередатчика без сопряженной с ним акустической линзы. Однако применение в этом случаи акустической линзы обеспечивает перекрытие акустическим сигналом рабочей площадки приемника акустического сигнала 7. Последний преобразует его в электрический сигнал, представляющий затухающий колебательный процесс с частотой Fп₁ принимаемого акустического сигнала, который поступает на вход предварительного усилителя 8, усиливается ими поступает на вход второго компаратора 9 с уровнем срабатывания Uпop=Ua, которое на своем выходе формирует последовательность коротких импульсов, поступающих на второй вход частотомера 10. При этом процесс измерения частоты Fп₁ принимаемого акустического сигнала в частотомере 10 так же запускается после первого импульса этой последовательности. Такая задержка начала процесса измерения частоты Fп₁ принимаемого акустического сигнала исключает влияние неконтролируемых временных задержек, обусловленных инерционностью элементов передающего канала на точность измерений. После измерения частот Fи₁ излучаемого и Fп₁ принимаемого акустических сигналов прекращается процесс измерения параметров этого сигнала в прямом направлении по оси X, а результаты измерений с выхода частотомера 10 передаются на вход вычислительного устройства 1.

Следующим импульсом с вычислительного устройства 1 проводится включение второго приемопередатчика, например Из, в режим передачи и производится процесс измерения частот Fп₃ излучаемого акустического сигнала и Fи₃ принимаемого акустического сигнала в обратном направлении по оси X аналогично описанному выше.

Подобным образом производится определение частотных параметров излучаемого и принимаемого акустического сигнала от каждого из приемопередатчика 11₂ и 11₄ по оси Y в прямом Fи₂, Fп₂ и обратном Fи₄, Fп₄ направлениях до приемника акустического сигнала 7.

При наличии внешних акустических помех, создаваемых электромеханическим оборудованием в процессе калибровки предлагаемого устройства или в местах его эксплуатации, эти помехи воздействуют одновременно с принимаемым акустическим сигналом на приемник акустического сигнала 7. В результате на его выходе вырабатывается электрический сигнал, уровень которого пропорционален линейной суперпозиции уровней рабочего акустического сигнала и акустической помехи. Учитывая, что чувствительность приемника акустического сигнала 7 максимальна на резонансной частоте, расположенной за пределами диапазона внешних акустических помех, то уровень, вносимый рабочим акустическим сигналом в суммарный выходной сигнал приемника акустического сигнала 7, будет более чем в несколько раз превышать уровень, вносимый акустической помехой, что обеспечивает надежную помехозащищенность предлагаемого анемометра. Выходной сигнал приемника акустического сигнала 7 поступает на вход предварительного усилителя 8, усиливается им и поступает вход компаратора 9 с уровнем срабатывания Uпop=Ua, который обеспечивает прохождение всех сигналов с амплитудой больше Uпop на второй вход частотомера 10, что дополнительно улучшает помехозащищенность предлагаемого анемометра.

После завершения описанных выше циклов измерений частотных параметров излучаемого и принимаемого акустического сигнала по каждой координатной оси в прямом и обратном направлениях вычислительное устройство 1 производит обработку результатов этих измерений и запускает следующий цикл измерений.

При наличии газового потока V его воздействие на акустический сигнал изменяет скорость его распространения от излучающего приемопередатчика до приемника акустического сигнала 7 и, следовательно, в соответствии с эффектом Доплера, изменяет частоту принимаемого акустического сигнала. Обозначая проекции вектора скорости газового потока V на оси связанной системы координат соответственно Vx и Vy, исходную скорость звука через Va, частоты излучаемого и принимаемого акустического сигнала от каждого из приемопередатчиков по оси X в прямом Fи₁, Fп₁ и обратном Fи₃, Fп₃ направлениях, а по оси Y в прямом Fи₂, Fп₂ и обратном Fи₄, Fп₄ направлениях до приемника акустического сигнала 7, получаем систему уравнений, связывающую скорость распространения акустического сигнала вдоль осей связанной системы координат с его частотными параметрами, регистрируемые приемником акустического сигнала 7 (например, вдоль оси X), в виде:

Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx.

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

После получения вышеназванных параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V как

и угол направления ветра β в связанной системе координат как:

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

Функции расчетов всех вышеуказанных параметров возлагаются на вычислительное устройство 1.

Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного акустического анемометра позволяет использовать новый алгоритм измерений, что обеспечивает высокую точность, надежность и широкий диапазон измерений, а так же практически исключить зависимость их качества от технологического разброса частотных параметров акустических передатчиков и изменения этих параметров при механическом креплении акустических передатчиков и в процессе эксплуатации. При том снижается количество элементов, устраняются недостатки качества измерений от влияния неконтролируемых сдвигов траектории акустического сигнала под действием газового потока и недостаточной точностью измерений времени движения акустического сигнала. Следует отметить, что независимость точности измерения скорости воздушного потока от расстояния между акустическим передатчиком и приемником акустического сигнала на основе контроля частотных параметров акустических сигналов позволяет оптимизировать конструктивные параметры предлагаемого анемометра. Кроме того, использование высокочастотных приемника и акустических передатчиков во взаимодействии с дополнительно в веденными элементами обеспечило эффективную защиту от внешних акустических помех в процессе производства и эксплуатации предлагаемого акустического анемометра, а так же позволило снизить стоимость аттестационного оборудования. В результате снижаются временные и материальные затраты при изготовлении и аттестации предлагаемого акустического анемометра и улучшаются его эксплуатационные характеристики.

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 №160408 МПК: G01P 5/01, опубл. 20.03.2015 г.

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

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

8. Российская Федерация, патент на полезную модель №206371 МПК: G01P 5/01, опубл. 08.09.2021 г. - прототип.

Claims (1)

1. Акустический анемометр, состоящий из вычислительного устройства, подключенных к нему датчика температуры и генератора электрических сигналов, а также предварительного усилителя, устройства коммутации, согласующего устройства, первого компаратора, второго компаратора, двух пар обратимых акустических приемопередатчиков, четырех виброизоляторов, приемника акустического сигнала, четырех плосковыпуклых акустических линз, первой и второй поддерживающих структур, соединенных параллельно относительно друг друга, 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 согласующего устройства подключен к первому выходу устройства коммутации, приемник акустического сигнала установлен на вторую поддерживающую структуру через дополнительный виброизолятор так, что поверхность дополнительного виброизолятора совмещена с плоскостью второй поддерживающей структуры, рабочая поверхность 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, акустические приемопередатчики и приемник акустического сигнала выполнены высокочастотными, акустические линзы, выполненные плоско-выпуклыми, установлены соосно на рабочую поверхность соответствующего обратимого акустического приемопередатчика, при этом угол раскрытия акустических линз определяется соотношением Ω=arcsin(d·(1-V_c/V)/2R), где d и R - соответственно диаметр и радиус кривизны акустической линзы, а V и V_c - соответственно скорости звука в материале акустической линзы и окружающей среде, отличающийся тем, что в него дополнительно введен частотомер, причем выход согласующего устройства подключен к входу первого компаратора, выход которого подключен к первому входу частотомера, выход приемника акустического сигнала подключен к входу предварительного усилителя, выход которого подключен к входу второго компаратора, выход второго компаратора подключен ко второму входу частотомера, выход которого подключен к входу вычислительного устройства.

Images