RU2548299C2 - System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer - Google Patents
System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548299C2 RU2548299C2 RU2013101635/28A RU2013101635A RU2548299C2 RU 2548299 C2 RU2548299 C2 RU 2548299C2 RU 2013101635/28 A RU2013101635/28 A RU 2013101635/28A RU 2013101635 A RU2013101635 A RU 2013101635A RU 2548299 C2 RU2548299 C2 RU 2548299C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- outputs
- unit
- primary
- atmospheric
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в авиационной метеорологии при измерении параметров динамики атмосферы в приземном слое для оценки условий взлета и посадки летательных аппаратов, при прогнозировании экологической обстановки в зонах техногенных катастроф, а также на воздушных и морских судах при измерении параметров вектора скорости ветра.The invention relates to the field of aeronautical instrumentation and can be used in aeronautical meteorology when measuring atmospheric dynamics in the surface layer to assess the take-off and landing conditions of aircraft, when predicting the environmental situation in areas of technological disasters, as well as in aircraft and ships when measuring vector parameters wind speed.
Известно устройство для измерения среднего направления ветра по АС №363923, МПК G01P 13/00, опубликованному в бюл. №4 25.12.72 - [1], имеющее следующую совокупность существенных признаков: датчик скорости и направления ветра, ключ ввода поправок со схемой совпадения, триггер управления, счетчик импульсов, генератор модулирующих импульсов, индикаторы исходного положения направления поворота и положения датчика по секторам.A device for measuring the average wind direction according to AC No. 363923, IPC G01P 13/00, published in bull. No. 4 12/25/72 - [1], having the following set of essential features: a wind speed and direction sensor, a key for entering corrections with a matching circuit, a control trigger, a pulse counter, a modulating pulse generator, indicators of the initial position of the direction of rotation and the position of the sensor by sectors.
Под воздействием воздушного потока датчик устанавливается в положение, соответствующее текущему значению направления ветра. На выходе датчика получаются две опорные серии импульсов, сдвинутые относительно друг друга на 90° по фазе, а также серия коротких отсчетных импульсов, временной сдвиг которых t1 относительно опорных импульсов прямо пропорционален направлению и обратно пропорционально скорости. Временной сдвиг t1 преобразуется триггером в импульс переменной длительности, который заполняется в схеме совпадений импульсами от генератора. Время измерения T определяется задатчиком. При этом выполняются такие соотношения, что полное число импульсов на выходе генератора за время T соответствует показанию счетчика, равному 360°. Количество импульсов, прошедших через схему на вход счетчика, пропорционально сумме длительностей единичных временных интервалов, выделяемых триггером за время T, т.е. соответствует среднему направлению и не зависит от скорости.Under the influence of air flow, the sensor is installed in the position corresponding to the current value of the wind direction. At the output of the sensor, two reference series of pulses are obtained, phase shifted relative to each other by 90 °, as well as a series of short reference pulses, the time shift of which t 1 relative to the reference pulses is directly proportional to the direction and inversely proportional to the speed. The time shift t 1 is converted by a trigger into a pulse of variable duration, which is filled in the coincidence circuit with pulses from the generator. The measurement time T is determined by the master. In this case, such relations are satisfied that the total number of pulses at the output of the generator during time T corresponds to a counter reading of 360 °. The number of pulses transmitted through the circuit to the counter input is proportional to the sum of the durations of unit time intervals allocated by the trigger during time T, i.e. corresponds to the average direction and does not depend on speed.
Известен измерительный преобразователь параметров ветра по АС №1296946, МПК G01P 5/02, опубликованному в бюл. №10 15.03.87 - [2], содержащий ветроприемник, состоящий из рупора, на дне которого закреплен термочувствительный элемент, и горизонтальной платформы, датчик положения, электродвигатель, токосъемник, блок преобразования, состоящий из усилителя, дифференцирующего устройства, формирователя, двух запоминающих устройств и дифференциального усилителя.Known measuring transducer of wind parameters according to AS No. 1296946, IPC G01P 5/02, published in bull. No. 10 03/15/87 - [2] containing a wind receiver, consisting of a horn, on the bottom of which a heat-sensitive element is fixed, and a horizontal platform, a position sensor, an electric motor, a current collector, a conversion unit, consisting of an amplifier, a differentiating device, a shaper, two storage devices and differential amplifier.
При каждом обороте платформы ветроприемника под принудительным воздействием электродвигателя датчик положения вырабатывает напряжение, пропорциональное углу поворота. Когда рупор направлен параллельно направлению ветра, напряжение термочувствительного элемента принимает минимальное значение, что фиксируется дифференцирующим устройством и формирователем, которые обеспечивают управляющий сигнал для запоминания устройством соответствующего значения напряжения датчика положения, в результате напряжение на выходе блока преобразования, снимаемое с выхода запоминающего устройства, будет пропорциональным направлению ветра. Напряжение блока преобразования, снимаемое с выхода дифференциального усилителя, будет пропорционально скорости ветра и не зависит от температуры окружающей среды.At each revolution of the wind receiver platform under the forced action of an electric motor, the position sensor generates a voltage proportional to the angle of rotation. When the horn is directed parallel to the direction of the wind, the voltage of the thermosensitive element takes a minimum value, which is fixed by a differentiating device and a driver that provide a control signal for the device to memorize the corresponding value of the voltage of the position sensor, as a result, the voltage at the output of the conversion unit taken from the output of the storage device will be proportional wind direction. The voltage of the conversion unit, taken from the output of the differential amplifier, will be proportional to the wind speed and does not depend on the ambient temperature.
Недостатком этих вариантов устройств является наличие подвижных элементов в измерительном преобразователе, что снижает надежность измерения параметров ветра, низкие динамические характеристики, обусловленные косвенным измерением направления вектора скорости ветра, большая погрешность измерения значения вектора скорости, связанная со сложностью алгоритма обработки и формирования результатов измерения параметров вектора скорости ветра.The disadvantage of these device options is the presence of moving elements in the measuring transducer, which reduces the reliability of measuring wind parameters, low dynamic characteristics due to indirect measurement of the direction of the wind speed vector, a large error in the measurement of the velocity vector value, associated with the complexity of the processing algorithm and the formation of the measurement results of the velocity vector parameters the wind.
Известно устройство для измерения скорости ветра по АС №1012174, МПК G01W 1/02, опубликованному в бюл. №14 от 15.04.83 - [3], содержащее приемник статического давления, образованный двумя соосно установленными и жестко связанными полушариями одинакового радиуса, обращенными выпуклостями друг к другу, причем одно из полушарий снабжено выходным отверстием для отбора статического давления, расположенным в зазоре между полушариями и соединенным трубкой с прибором, по которому однозначно определяется скорость ветра.A device for measuring wind speed according to AS No. 1012174, IPC G01W 1/02, published in bull. No. 14 of 04.15.83 - [3], containing a static pressure receiver formed by two coaxially mounted and rigidly connected hemispheres of the same radius, convex to each other, one of the hemispheres having an outlet for static pressure selection located in the gap between the hemispheres and connected by a tube to a device by which the wind speed is uniquely determined.
Сужающийся поток воздуха, проходя между полушариями, ускоряется, и давление в нем падает, изменения давления через выходное отверстие для отбора статического давления и трубку регистрируется прибором типа авиационного вариометра, проградуированного в относительных величинах измеряемого параметра.The narrowing air flow passing between the hemispheres is accelerated, and the pressure in it drops, pressure changes through the outlet for the selection of static pressure and the tube are recorded by an instrument such as an aviation variometer calibrated in the relative values of the measured parameter.
Известно устройство для измерения скорости ветра по АС №1200221, МПК G01W 1/02, опубликованному в бюл. №47 23.12.85 - [4], содержащее последовательно соединенные датчик манометрического типа, преобразователь и регистратор. Датчик выполнен в виде полусфер, симметричных относительно вертикальной оси поверхностей обтекаемой формы, жестко связанных и обращенных выпуклостями одна к другой, с отборными отверстиями, одно из которых расположено в области максимального сближения поверхностей, а другое - в нижней поверхности.A device for measuring wind speed according to AS No. 1200221, IPC G01W 1/02, published in bull. No. 47 12/23/85 - [4], containing a series-connected gauge type sensor, a converter and a recorder. The sensor is made in the form of hemispheres, symmetrical with respect to the vertical axis of the surfaces of streamlined shape, rigidly connected and convex to one another, with selective holes, one of which is located in the region of maximum convergence of the surfaces, and the other is in the lower surface.
Воздушный поток между полусферами, сужаясь, ускоряется, что вызывает понижение статического давления. Это давление через отборное отверстие, расположенное в области максимального сближения поверхностей, по отборной трубке статического давления передается в преобразователь и сравнивается с полным давлением в полусфере, где скорость потока равна нулю. Другое отборное отверстие расположено в нижней поверхности полусферы. Выходное давление с манометрического датчика поступает на вход преобразователя и далее на регистр.The air flow between the hemispheres, tapering, accelerates, which causes a decrease in static pressure. This pressure is transmitted through a sampling hole located in the region of maximum approximation of surfaces, through a sampling tube of static pressure to the transducer and compared with the total pressure in the hemisphere, where the flow velocity is zero. Another selected hole is located in the lower surface of the hemisphere. The output pressure from the pressure gauge is supplied to the input of the converter and then to the register.
Недостатками этих устройств являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные наличием только одного сигнала по скорости ветра, и недостаточная надежность, связанная с применением датчиков манометрического типа с ограниченным ресурсом работы деформационного чувствительного элемента.The disadvantages of these devices are limited functionality due to the presence of only one signal for wind speed, and insufficient reliability associated with the use of gauge-type sensors with a limited life of the deformation sensitive element.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, взятым за прототип, является измеритель параметров ветра, рассмотренный в работе авторов Порунова А.А., Бердникова А.В. Измеритель параметров ветра с процессорной обработкой выходных сигналов // В сб.: Переферийные устройства ЭВМ и систем. Материалы семинара. - М.: МДНТП, 1991. С.123-128. - [5], состоящий из ветроприемного устройства, измерителя статического давления, датчика температуры, датчиков давления, электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя, управляющего контроллера, накопителя, контроллеров символьной и графической информации, указателя скорости, указателя направления.The closest in technical essence to the claimed technical solution, taken as a prototype, is a wind parameter meter, considered in the work of the authors Porunova A.A., Berdnikova A.V. A wind parameter meter with processor processing of output signals // In Sat: Peripheral devices of computers and systems. Seminar materials. - M .: MDNTP, 1991. S.123-128. - [5], consisting of a wind receiving device, a static pressure meter, a temperature sensor, pressure sensors, electrical measuring circuits for generating primary informative signals, an analog-to-digital converter, a control controller, a drive, symbolic and graphic information controllers, a speed indicator, a direction indicator.
Ветроприемное устройство выполнено в виде многоканального аэрометрического преобразователя по патенту №2042137, МПК G01P 5/16, опубликованному в бюл. №23 20.08.1995, содержащего аэродинамическое тело, состоящее из двух частей, выполненных в виде шаровых сегментов, имеющих общую ось вращения, и снабженное радиально расположенными трубчатыми приемниками давления, каждый из которых сообщен независимым пневматическим каналом со своим выходным штуцером. Трубчатые приемники давления расположены равноотстоящими по углу и закреплены на держателях, посредством которых две части аэродинамического тела соединены между собой. Выпуклые поверхности шаровых сегментов обращены навстречу друг другу. Оси трубчатых приемников давления совмещены с плоскостью симметрии обеих частей аэродинамического тела, которая ортогональна их общей оси вращения. При этом внутренняя полость одной части аэродинамического тела герметично замкнута первым диском и сообщена посредством пневматических каналов держателей с полостью, образованной второй частью аэродинамического тела и вторым диском. Каждая из полостей снабжена приемными отверстиями статического давления, расположенными на плоских поверхностях конусовидных выборок в обеих частях аэродинамического тела. Расстояние между плоскими поверхностями равно одной пятой части диаметра аэродинамического тела. Плоскости входных отверстий трубчатых приемников давления расположены на касательных к окружности, составляющей (0,5…0,6)D (диаметра аэродинамического тела), а диаметр конусовидной выборки выбран из условия d=(0,08…0,1)D.The wind receiving device is made in the form of a multi-channel aerometric transducer according to patent No. 2042137, IPC G01P 5/16, published in bull. No. 23 08/20/1995, containing an aerodynamic body, consisting of two parts made in the form of spherical segments having a common axis of rotation, and equipped with radially arranged tubular pressure receivers, each of which is connected by an independent pneumatic channel with its outlet fitting. Tubular pressure receivers are located equally spaced in angle and are fixed on holders, by means of which two parts of the aerodynamic body are interconnected. The convex surfaces of the spherical segments face each other. The axes of the tubular pressure receivers are aligned with the plane of symmetry of both parts of the aerodynamic body, which is orthogonal to their common axis of rotation. In this case, the internal cavity of one part of the aerodynamic body is hermetically closed by the first disk and communicated via pneumatic channels of the holders with the cavity formed by the second part of the aerodynamic body and the second disk. Each of the cavities is equipped with static pressure receiving holes located on the flat surfaces of the cone-shaped samples in both parts of the aerodynamic body. The distance between the flat surfaces is equal to one fifth of the diameter of the aerodynamic body. The planes of the inlet openings of the tubular pressure receivers are located on tangents to a circle that is (0.5 ... 0.6) D (aerodynamic body diameter), and the diameter of the cone-shaped sample is selected from the condition d = (0.08 ... 0.1) D.
Основными недостатками прототипа являются ограниченная эффективность системы, обусловленная неполным использованием информативной избыточности измерительного сигнала по перепаду давления, ограниченными эксплуатационными характеристиками формирующих первичные информативные сигналы элементов, характеризующихся низкой помехоустойчивостью, в связи с размещением их в открытом воздушном пространстве приземного слоя атмосферы.The main disadvantages of the prototype are the limited efficiency of the system, due to the incomplete use of the informative redundancy of the measuring signal for the pressure drop, the limited operational characteristics of the primary informative signals generating elements characterized by low noise immunity, due to their placement in the open air space of the surface layer of the atmosphere.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, заключается в повышении эффективности применения устройства в задачах управления воздушных движением в аэродромной зоне, при прогнозировании экологической обстановки в зонах техногенных катастроф, а также при измерении параметров вектора скорости ветра на воздушных и морских судах, за счет расширения функциональных возможностей и повышения помехоустойчивости функционирования системы к возмущениям приземного слоя атмосферы.The technical result, the claimed solution is aimed at, is to increase the efficiency of the device in the tasks of air traffic control in the airfield zone, in predicting the environmental situation in areas of technological disasters, as well as in measuring the parameters of the wind speed vector in aircraft and ships, due to expanding the functionality and increasing the noise immunity of the system to disturbances of the surface layer of the atmosphere.
Технический результат достигается тем, что в системе измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое, состоящей из ветроприемного устройства, датчиков перепада давления, электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя, устройства обработки информации, средства отображения информации, новым является то, что датчики перепада давления со своими электроизмерительными схемами формирования первичных информативных сигналов образуют блок формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.The technical result is achieved by the fact that in the system for measuring atmospheric dynamics parameters in the surface layer, consisting of a wind receiving device, differential pressure sensors, electrical measuring circuits for generating primary informative signals, an analog-to-digital converter, information processing device, and information display device, it is new that differential pressure sensors with their electrical measuring circuits for the formation of primary informative signals form a block for the formation of primary information active signals from differential pressure signals.
При этом пневматическими входами блока формирования первичных сигналов являются выходы ветроприемного устройства по полным и статическому давлениям, а его электрическими выходами являются выходы электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления. Пневматические входы блока формирования первичных информативных сигналов по полному давлению соединены с пневматическими выходами этого же блока и с пневматическими входами проточных датчиков перепада давления, выходы которых объединены и подсоединены к входу блока формирования первичных информативных сигналов по статическому давлению.In this case, the pneumatic inputs of the primary signal generating unit are the outputs of the wind receiving device for full and static pressures, and its electrical outputs are the outputs of the electrical measuring circuits for the formation of primary informative signals from the differential pressure signals. The pneumatic inputs of the primary informative signals generating unit for full pressure are connected to the pneumatic outputs of the same unit and to the pneumatic inputs of the flow differential pressure sensors, the outputs of which are combined and connected to the input of the primary informative signals generating unit for static pressure.
Дополнительно в структуру системы введен блок формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, состоящий из осредняющей полости формирования сигнала по атмосферному давлению, сообщенной с датчиком атмосферного давления, осредняющей полости восприятия температуры, сообщенной с датчиком температуры атмосферы, и компенсационного датчика температуры, соединенного со своей электроизмерительной схемой формирования сигнала по температурной компенсации.In addition, a unit for generating primary signals by climatic parameters of the atmosphere, consisting of an averaging cavity for generating a signal by atmospheric pressure, connected to an atmospheric pressure sensor, averaging temperature sensing cavities, connected to an atmospheric temperature sensor, and a temperature compensation sensor connected to its electrical measuring instrument, was introduced into the system structure temperature compensation signal conditioning circuit.
При этом выходы датчиков блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы являются его электрическими выходами по сигналам температурной компенсации, атмосферному давлению и температуре атмосферного воздуха. Пневматические входы блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, сообщенные с пневматическими выходами блока формирования первичных сигналов, сообщены с пневматическими входами осредняющей полости формирования сигнала по атмосферному давлению. Первый пневматический выход этой полости сообщен посредством пневматического канала с входом осредняющей полости восприятия температуры воздушного потока, а второй пневматический выход - с компенсационным датчиком температуры. Выходы датчиков блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналам атмосферного давления и температуры атмосферного воздуха подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя.At the same time, the outputs of the sensors of the primary signal generation unit according to the climatic parameters of the atmosphere are its electrical outputs according to the signals of temperature compensation, atmospheric pressure and atmospheric air temperature. The pneumatic inputs of the primary signal generating unit according to the climatic parameters of the atmosphere, in communication with the pneumatic outputs of the primary signal generating unit, are in communication with the pneumatic inputs of the averaging cavity for generating the signal by atmospheric pressure. The first pneumatic outlet of this cavity is communicated by means of a pneumatic channel with the inlet of the averaging cavity for sensing the temperature of the air flow, and the second pneumatic outlet is connected to a compensation temperature sensor. The outputs of the sensors of the primary signal generation unit according to the climatic parameters of the atmosphere according to the signals of atmospheric pressure and air temperature are connected to the inputs of an analog-to-digital converter.
Кроме того, в структуру системы введен блок предварительной обработки сигналов, состоящий из последовательно соединенных схем температурной коррекции и фильтров нижних частот. Входы блока предварительной обработки сигналов подсоединены к электрическим выходам блока формирования первичных сигналов по перепаду давлений и к выходу блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналу температурной компенсации.In addition, a signal preprocessing unit consisting of series-connected temperature correction circuits and low-pass filters has been introduced into the system structure. The inputs of the signal preprocessing unit are connected to the electrical outputs of the primary signal generation unit by the differential pressure and to the output of the primary signal generation unit by the atmospheric climate parameters by the temperature compensation signal.
Первые входы схем температурной коррекции подсоединены к входам блока предварительной обработки сигналов по сигналам перепада давления, а вторые входы - к входу этого блока по температурной компенсации, подсоединенного также к входу своего фильтра нижних частот. Выходы каждого из фильтров нижних частот являются выходами этого блока по сигналам скорости и подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя, цифровой выход которого подсоединен к блоку функциональной обработки, выходы которого являются выходами системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое по сигналам скорости V и направления ветра Ψ, атмосферного давления pa, скорости его изменения
Проточные датчики перепада давления и компенсационный датчик температуры выполнены в виде модулей струйно-конвективных преобразователей, содержащих анемочувствительные элементы с формирующими соплами. Причем анемочувствительный элемент каждого модуля струйно-конвективного преобразователя расположен в створе струи, формируемой его соплом.Flow-through differential pressure sensors and a compensation temperature sensor are made in the form of modules of jet-convective converters containing anemosensitive elements with forming nozzles. Moreover, the anemosensitive element of each module of the jet-convective transducer is located in the alignment of the jet formed by its nozzle.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где фиг.1 - структурно-функциональная схема системы.The invention is illustrated in figure 1, where figure 1 is a structural-functional diagram of the system.
Здесь:Here:
1 - ветроприемное устройство;1 - wind receiving device;
2 - датчики перепада давления проточного типа;2 - flow differential pressure sensors;
3 - электроизмерительные схемы формирования первичных информативных сигналов;3 - electrical measuring circuits for the formation of primary informative signals;
4 - аналого-цифровой преобразователь;4 - analog-to-digital Converter;
5 - устройство обработки информации;5 - information processing device;
6 - средства отображения информации;6 - means of displaying information;
7 - блок формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления;7 - a block for generating primary informative signals from differential pressure signals;
8 - блок формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы;8 - unit for the formation of primary signals by climatic parameters of the atmosphere;
9 - блок предварительной обработки сигналов;9 - signal preprocessing unit;
10 - выходы (штуцеры) ветроприемного устройства 1 по полным давлениям;10 - outputs (fittings) of the wind receiving device 1 at full pressure;
11 - выход (штуцер) ветроприемного устройства 1 по статическому давлению;11 - output (fitting) of the wind receiving device 1 by static pressure;
12 - осредняющая полость формирования сигнала по атмосферному давлению;12 - averaging cavity of signal formation by atmospheric pressure;
13 - датчик атмосферного давления;13 - atmospheric pressure sensor;
14 - осредняющая полость восприятия температуры;14 - averaging cavity for perceiving temperature;
15 - датчик температуры атмосферы;15 - atmosphere temperature sensor;
16 - компенсационный датчик температуры;16 - compensation temperature sensor;
17 - электроизмерительная схема формирования сигнала по температурной компенсации;17 is an electrical measuring circuit for generating a signal for temperature compensation;
18 - схемы температурной коррекции;18 is a diagram of temperature correction;
19 - фильтры нижних частот;19 - low-pass filters;
20 - анемочувствительные элементы струйно-конвективных модулей;20 - anemosensitive elements of jet-convective modules;
21 - формирующие сопла струйно-конвективных модулей.21 - forming nozzles of jet-convective modules.
Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое состоит из ветроприемного устройства 1, датчиков 2 перепада давления, электроизмерительных схем 3 формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя 4, устройства 5 обработки информации, средства 6 отображения информации, блока 7 формирования первичных сигналов, блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы и блока 9 предварительной обработки сигналов.The system for measuring atmospheric dynamics parameters in the surface layer consists of a wind receiving device 1, differential pressure sensors 2, electrical measuring circuits 3 for generating primary informative signals, analog-to-digital converter 4, information processing device 5, information display means 6, primary signal generating unit 7, block 8 of the formation of primary signals by the climatic parameters of the atmosphere and block 9 of the preliminary signal processing.
Датчики 2 перепада давления со своими электроизмерительными схемами 3 формирования первичных информативных сигналов образуют блок 7 формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.The differential pressure sensors 2 with their electrical measuring circuits 3 for forming primary informative signals form a block 7 for forming primary informative signals for differential pressure signals.
Пневматическими входами блока 7 формирования первичных сигналов являются выходы ветроприемного устройства 1 по полным 10 и статическому 11 давлениям, а его электрическими выходами являются выходы электроизмерительных схем 3 формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.The pneumatic inputs of the primary signal generating unit 7 are the outputs of the wind receiving device 1 at full 10 and static 11 pressures, and its electrical outputs are the outputs of the electrical measuring circuits 3 of forming the primary informative signals from the differential pressure signals.
Пневматические входы блока 7 формирования первичных информативных сигналов по полному давлению соединены с пневматическими выходами этого блока и с пневматическими входами проточных датчиков 2 перепада давления, выходы которых объединены и подсоединены к входу блока 7 формирования первичных информативных сигналов по статическому давлению.The pneumatic inputs of the unit 7 for generating primary informative signals for full pressure are connected to the pneumatic outputs of this unit and to the pneumatic inputs of the flow sensors 2 for differential pressure, the outputs of which are combined and connected to the input of the unit 7 for generating primary informative signals for static pressure.
Блок 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы состоит из осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, сообщенной с датчиком 13 атмосферного давления, осредняющей полости 14 восприятия температуры, сообщенной с датчиком 15 температуры атмосферы, компенсационного датчика 16 температуры, соединенного со своей электроизмерительной схемой 17 формирования сигнала по температурной компенсации.The primary signal generating unit 8 for the climatic parameters of the atmosphere consists of an averaging atmospheric pressure signal generating cavity 12 communicated with an atmospheric pressure sensor 13, a temperature sensing averaging cavity 14 in communication with an atmospheric temperature sensor 15, a temperature compensation sensor 16 connected to its electrical measuring circuit 17 signal formation for temperature compensation.
Пневматические входы блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, сообщенные с пневматическими выходами блока формирования 7 первичных сигналов по сигналам перепада давления, сообщены с пневматическими входами осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению.The pneumatic inputs of the primary signal generating unit 8 according to the climatic parameters of the atmosphere, communicated with the pneumatic outputs of the primary signal generating unit 7 according to the differential pressure signals, are in communication with the pneumatic inputs of the averaging cavity 12 for generating the atmospheric pressure signal.
При этом первый пневматический выход осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению сообщен посредством пневматического канала с входом осредняющей полости 14 восприятия температуры воздушного потока, а второй пневматический выход - с компенсационным датчиком 16 температуры.In this case, the first pneumatic output of the averaging cavity 12 for generating a signal by atmospheric pressure is communicated via a pneumatic channel with the input of the averaging cavity 14 for sensing the air flow temperature, and the second pneumatic output with a temperature compensation sensor 16.
Выходами датчиков блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы являются его электрические выходы по сигналам температурной компенсации, атмосферному давлению и температуре атмосферного воздуха.The outputs of the sensors of block 8 of the formation of the primary signals according to the climatic parameters of the atmosphere are its electrical outputs according to the signals of temperature compensation, atmospheric pressure and ambient temperature.
Выходы датчиков блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналам атмосферного давления и температуры атмосферного воздуха подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя 4.The outputs of the sensors of block 8 for the formation of primary signals by climatic parameters of the atmosphere by signals of atmospheric pressure and air temperature are connected to the inputs of an analog-to-digital converter 4.
Блок 9 предварительной обработки сигналов состоит из последовательно соединенных схем 18 температурной коррекции и фильтров 19 нижних частот. Входы блока 9 предварительной обработки сигналов подсоединены к электрическим выходам блока формирования 7 первичных сигналов по перепаду давлений и к выходу блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналу температурной компенсации.The signal preprocessing unit 9 consists of series-connected temperature correction circuits 18 and low-pass filters 19. The inputs of the signal preprocessing unit 9 are connected to the electrical outputs of the primary signal generating unit 7 according to the differential pressure and to the output of the primary signal generating unit 8 according to the climatic parameters of the atmosphere by the temperature compensation signal.
Первые входы схем 18 температурной коррекции подсоединены к входам блока 9 предварительной обработки сигналов по сигналам перепада давления, а вторые входы - к входу этого блока по температурной компенсации, подсоединенного также к входу своего фильтра 19 нижних частот. Выходы каждого из фильтров 19 нижних частот являются выходами блока 9 по сигналам скорости и подсоединены ко входам аналого-цифрового преобразователя 4, цифровой выход которого подсоединен к блоку 5 функциональной обработки. Выходы блока 5 функциональной обработки являются выходами системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое по сигналам скорости V и направления ветра Ψ, атмосферного давления pa, скорости его изменения
Проточные датчики 2 перепада давления и компенсационный датчик 16 температуры выполнены в виде модулей струйно-конвективных преобразователей, содержащих анемочувствительные элементы 20 с формирующими соплами 21. Причем каждый анемочувствительный элемент 20 модулей струйно-конвективных преобразователей расположен в створе струи, формируемой его соплом 21.Flow differential pressure sensors 2 and a temperature compensation sensor 16 are made in the form of jet-convective transducer modules containing anemosensitive elements 20 with forming nozzles 21. Moreover, each anemosensitive element 20 of the jet-convective transducer modules is located in the jet section formed by its nozzle 21.
Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое работает следующим образом.The system for measuring atmospheric dynamics in the surface layer works as follows.
Многоканальное неподвижное ветроприемное устройство 1, взаимодействуя с набегающим воздушным потоком, воспринимает массив давлений с помощью радиально расположенных трубок полного давления и приемных отверстий статического давления. Давления pп от входных отверстий каждого из приемных трубок полного давления по своим независимым каналам подают к выходным штуцерам ветроприемного устройства 1. Приемные отверстия статического давления, расположенные на плоских поверхностях конусовидных выборок ветроприемного устройства 1 в обеих частях аэродинамического тела, воспринимают местное статическое давление pм.ст.Multichannel stationary wind receiving device 1, interacting with the incoming air flow, perceives an array of pressures using radially arranged full pressure tubes and static pressure receiving holes. The pressure p p from the inlets of each of the receiving tubes of full pressure is fed through their independent channels to the outlet fittings of the wind receiving device 1. The receiving holes of static pressure located on the flat surfaces of the cone-shaped samples of the wind receiving device 1 in both parts of the aerodynamic body receive local static pressure p m .art .
На выходе штуцеров по полным 10 и статическому 11 давлениям формируется массив давлений
Массив давлений
где
где pм.ст - местное статическое давление; χп - коэффициент восстановления давления приемных отверстий полного давления, χп ⋁ 0; ρ и V - плотность и скорость воздушного потока на входе в приемную трубку.where p m.st - local static pressure; χ p - pressure recovery coefficient of the receiving holes of the total pressure, χ p ⋁ 0; ρ and V are the density and velocity of the air flow at the entrance to the receiving tube.
Формирование в осредняющей полости 12 давления, близкого к атмосферному, обусловлено тем, что знак коэффициента восстановления давления χп определяется угловым положением трубок полного давления ветроприемного устройства 1 относительно направления вектора скорости ветра. Поэтому часть давлений
Пространственно-временное осреднение полного давления
По этой же причине температура в осредняющей полости 14, сообщенной с осредняющей полостью 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, в значительной мере свободна от атмосферных возмущений, характерных для приземного слоя.For the same reason, the temperature in the averaging cavity 14, in communication with the averaging cavity 12 of the signal generation by atmospheric pressure, is largely free from atmospheric disturbances characteristic of the surface layer.
Датчик 13 атмосферного давления и датчик 15 температуры, сообщенные со своими осредняющими полостями 12 и 14, формируют сигналы по давлению
где χ - коэффициент восстановления давления, определяемый конструктивными особенностями ветроприемного устройства 1; g - ускорение свободного падения; R - универсальная газовая постоянная; Tокр - температура воздуха.where χ is the pressure recovery coefficient determined by the design features of the wind receiving device 1; g is the acceleration of gravity; R is the universal gas constant; T okr - air temperature.
Компенсационный датчик температуры 16, конструктивно аналогичный датчикам 2 перепада давлений проточного типа, размещен в глухой камере, сообщенной с осредняющей полостью 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, и формирует электрический сигнал, пропорциональный температуре воздуха в этой полости и необходимый для коррекции аддитивной и мультипликативной составляющей погрешности в соответствии с зависимостямиA temperature compensation sensor 16, structurally similar to flow-type pressure differential sensors 2, is placed in a blind chamber in communication with the averaging chamber 12 for generating a signal by atmospheric pressure, and generates an electrical signal proportional to the air temperature in this cavity and necessary to correct the additive and multiplicative component of the error according to dependencies
где
где
Сигналы, определяемые зависимостями (4) поступают на вход схем 18 температурной коррекции блока 9 предварительной обработки сигналов, на выходе которых формируются сигналы, определяемые зависимостями
Такое формирование выходных сигналов
На выходе блока 9 предварительной обработки сигналов формируется массив электрических сигналов, который передается на многоканальное АЦП 4 и далее на устройство 5 обработки информации, где происходит функциональная обработка этого массива сигналов в соответствии со следующим алгоритмом.At the output of signal preprocessing unit 9, an array of electrical signals is generated, which is transmitted to a multi-channel ADC 4 and then to information processing device 5, where the functional processing of this array of signals occurs in accordance with the following algorithm.
Алгоритм обработки и формирования результатов измерения параметров вектора скорости ветра (ВСВ), осуществляемый в устройстве 5 обработки информации, состоит из нескольких этапов. Первым этапом в процессе обработки массива на i (где i=1÷8) значений давления является нахождения номера i-й трубки. По номеру трубки проводится определение первого приближения угловой координаты ВСВ в соответствии с выражениемThe algorithm for processing and generating the results of measuring the parameters of the wind speed vector (VSS), carried out in the information processing device 5, consists of several stages. The first step in the processing of the array at i (where i = 1 ÷ 8) pressure values is to find the number of the i-th tube. The tube number is used to determine the first approximation of the angular coordinates of the BCB in accordance with the expression
Затем проводится предварительная оценка положения ВСВ относительно i-той трубки полного давления. С этой целью проверяются неравенства: илиThen a preliminary assessment of the position of the BCB relative to the i-th full pressure tube is carried out. To this end, the inequalities are verified: or
или
где pi-1 и pi+1 - давление, измеряемое в трубках полного давления, смежных с i-й трубкой.where p i -1 and p i +1 is the pressure measured in the full pressure tubes adjacent to the i-th tube.
Следующим этапом обработки является определение точного значения угловой координаты ВСВ в секторе углов:The next processing step is to determine the exact value of the angular coordinates of the BCB in the sector of angles:
при выполнении условия (8), и в секторе углов:when condition (8) is satisfied, and in the angle sector:
при выполнении условия (9).when condition (9) is satisfied.
Численное значение θ определяется на основе решения одного из уравнений вида:The numerical value of θ is determined based on the solution of one of the equations of the form:
где ƒ(θ)) - аппроксимирующие полиномы степени k, вычисленные по результатам предварительной градуировки ветроприемного устройства, и имеющие вид:where ƒ (θ)) are approximating polynomials of degree k calculated according to the results of preliminary calibration of the wind receiving device, and having the form:
По результатам решения уравнений (12) или (13) угловая координата Ψk вектора скорости ветра (азимута ветра) в исходной системе координат определяется на основании зависимости:According to the results of solving equations (12) or (13), the angular coordinate Ψ k of the wind speed vector (wind azimuth) in the original coordinate system is determined based on the dependence:
Ψx=Ψmin±(θmax-θx)t0 Ψ x = Ψ min ± (θ max -θ x ) t 0
где «+» - перед вторым членом соответствует условию (8); «-» - соответствует условию (9).where "+" - before the second term corresponds to condition (8); “-” - corresponds to condition (9).
После определения направления вектора скорости ветра осуществляется восстановление значения рт, соответствующего модулю вектора. Это вычисление проводиться в соответствии со следующей зависимостью:After determining the direction of the wind speed vector, the pt value corresponding to the vector module is restored. This calculation is carried out in accordance with the following relationship:
где pi - давление i-й трубке; ƒ(θ0) - значение функции, описывающей угловую характеристику каждой из “n” трубок полного давления при θ0=0. Тогда принимается ƒ(θ0)=1,0 (при расчетах по давлениям от трубок полного давления); ƒ(θx) - значение функции для текущего углового положения вектора воздушной скорости.where p i is the pressure of the i-th tube; ƒ (θ 0 ) is the value of the function that describes the angular characteristic of each of the “n” total pressure tubes at θ 0 = 0. Then it is assumed that ƒ (θ 0 ) = 1.0 (when calculating the pressures from the full pressure tubes); ƒ (θ x ) is the value of the function for the current angular position of the airspeed vector.
Следующим шагом находится численное значение модуля ВСВ по зависимости (3).The next step is the numerical value of the BCB module according to dependence (3).
Полученная информация в виде сигналов по скорости V и направления (азимута) Ψ ветра, атмосферного давления, скорости его изменения, а также температуры атмосферного воздуха и скорости ее изменения подается на средство 6 отображения информации.The information obtained in the form of signals for speed V and direction (azimuth) Ψ wind, atmospheric pressure, its rate of change, as well as the temperature of the air and its rate of change is supplied to the information display means 6.
Заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность устройства за счет расширения функциональных возможностей и повышения помехоустойчивости функционирования системы.The claimed invention improves the efficiency of the device by expanding the functionality and increasing the noise immunity of the system.
При этом полученная информация скорости V и направления (азимута) Ψ ветра, атмосферного давления, скорости его изменения, а также температуры атмосферного воздуха и скорости ее изменения характеризуется высокой точностью, достоверностью и метрологической надежностью, а конструкция системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое достаточно проста в реализации и надежна в работе.At the same time, the obtained information on the velocity V and the direction (azimuth) Ψ of the wind, atmospheric pressure, its rate of change, as well as the temperature of the air and its rate of change is characterized by high accuracy, reliability and metrological reliability, and the design of the system for measuring atmospheric dynamics in the surface layer is sufficient easy to implement and reliable.
Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое работает в диапазоне скоростей 1-60 м/с при вариациях направления вектора в диапазоне ±180°, а углов скоса воздушного потока в плоскости, ортогональной плоскости измерения в диапазоне ±30°, а также позволяет получить информацию по скорости изменения давления в диапазоне до 1000 Па/с, по скорости изменения температуры в диапазоне до 20°/c.The system for measuring the parameters of atmospheric dynamics in the surface layer operates in the speed range of 1-60 m / s with variations in the direction of the vector in the range of ± 180 °, and the angles of inclination of the air flow in the plane orthogonal to the measurement plane in the range of ± 30 °, and also allows you to obtain information the rate of change of pressure in the range up to 1000 Pa / s, the rate of change of temperature in the range up to 20 ° / s.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013101635/28A RU2548299C2 (en) | 2013-01-11 | 2013-01-11 | System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013101635/28A RU2548299C2 (en) | 2013-01-11 | 2013-01-11 | System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013101635A RU2013101635A (en) | 2014-07-20 |
RU2548299C2 true RU2548299C2 (en) | 2015-04-20 |
Family
ID=51215330
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013101635/28A RU2548299C2 (en) | 2013-01-11 | 2013-01-11 | System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2548299C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2307357C1 (en) * | 2005-12-07 | 2007-09-27 | Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Method for measurement of helicopter air signals and system for its realization |
RU2426133C1 (en) * | 2009-11-13 | 2011-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" им. Г.А. Ильенко" | System for determining air flow parameters |
RU2427844C1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Helicopter air data system |
RU2439585C2 (en) * | 2005-09-27 | 2012-01-10 | Эрбюс Операсьон (Сас) | System to monitor anemobaroclinometric parameters for aircrafts |
-
2013
- 2013-01-11 RU RU2013101635/28A patent/RU2548299C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2439585C2 (en) * | 2005-09-27 | 2012-01-10 | Эрбюс Операсьон (Сас) | System to monitor anemobaroclinometric parameters for aircrafts |
RU2307357C1 (en) * | 2005-12-07 | 2007-09-27 | Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Method for measurement of helicopter air signals and system for its realization |
RU2426133C1 (en) * | 2009-11-13 | 2011-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" им. Г.А. Ильенко" | System for determining air flow parameters |
RU2427844C1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Helicopter air data system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013101635A (en) | 2014-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Crawford et al. | A sensitive fast-response probe to measure turbulence and heat flux from any airplane | |
Wildmann et al. | Towards higher accuracy and better frequency response with standard multi-hole probes in turbulence measurement with remotely piloted aircraft (RPA) | |
CA2213227C (en) | An air data system | |
US8434358B2 (en) | Method for measuring airspeed by optical air data sensor | |
US10352813B2 (en) | Calibration of aircraft instruments using a laser sensor | |
US9285387B2 (en) | In-flight pitot-static calibration | |
Wildmann et al. | Two fast temperature sensors for probing of the atmospheric boundary layer using small remotely piloted aircraft (RPA) | |
US20130282285A1 (en) | Method and device for determining the movements of a fluid from remote measurements of radial velocities | |
CA2754397A1 (en) | System for determining the airspeed of an aircraft | |
Mansour et al. | Seven-sensor fast-response probe for full-scale wind turbine flowfield measurements | |
Theuerkauf et al. | LITOS–a new balloon-borne instrument for fine-scale turbulence soundings in the stratosphere | |
Rodi et al. | Correction of static pressure on a research aircraft in accelerated flight using differential pressure measurements | |
Cary et al. | Flight evaluation of the X-15 ball-nose flow-direction sensor as an air-data system | |
Cooper et al. | Calibrating airborne measurements of airspeed, pressure and temperature using a Doppler laser air-motion sensor | |
RU2548299C2 (en) | System to measure parameters of atmosphere dynamics in surface layer | |
RU127473U1 (en) | VORTEX SENSOR OF AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED | |
RU2396569C1 (en) | Method of determining aerial parametres in flight tests of aircraft flying at high angle of attack | |
US3678746A (en) | Fluidic sensor for fluid stream velocity | |
RU131505U1 (en) | SYSTEM FOR MEASURING THE ATMOSPHERIC DYNAMICS PARAMETERS IN THE SURFACE LAYER | |
RU2426995C1 (en) | System to measure helicopter flight low speeds | |
Foster et al. | A GPS-based pitot-static calibration method using global output error optimization | |
EP3995835A1 (en) | Acoustic airspeed sensors and processing techniques | |
RU2375690C1 (en) | Method for determination of pitot probe aerodynamic errors in flight tests of flying vehicle | |
RU2592705C2 (en) | Onboard system for measuring parameters of wind velocity vector during parking, takeoff and landing of helicopter | |
RU2587389C1 (en) | Onboard system of measuring parameters of wind velocity vector at station, takeoff and landing helicopter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170112 |