RU2666971C1 - Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры - Google Patents

Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры Download PDF

Info

Publication number
RU2666971C1
RU2666971C1 RU2017135384A RU2017135384A RU2666971C1 RU 2666971 C1 RU2666971 C1 RU 2666971C1 RU 2017135384 A RU2017135384 A RU 2017135384A RU 2017135384 A RU2017135384 A RU 2017135384A RU 2666971 C1 RU2666971 C1 RU 2666971C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensors
temperature
air
weather
temperature measurement
Prior art date
Application number
RU2017135384A
Other languages
English (en)
Inventor
Олег Валентинович Кудрявцев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2017135384A priority Critical patent/RU2666971C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2666971C1 publication Critical patent/RU2666971C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
    • G01W1/04—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed giving only separate indications of the variables measured

Abstract

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения трехкоординатного вектора скорости воздуха и температуры. Сущность: метеостанция выполнена в виде флюгера, установленного на двухстепенном шарнире (1). На флюгере установлен блок (2) датчиков и ультразвуковые приемо-передающие датчики (4) температуры и скорости потока воздуха. В блоке (2) датчиков размещены датчики температуры воздуха, датчики относительной влажности воздуха, датчики атмосферного давления, электромагнитный компас, акселерометр, датчик угловых скоростей, устройство обработки информации, устройство передачи информации. Технический результат: повышение точности и скорости измерения скорости и направления ветра, уменьшение габаритных размеров, сокращение сроков установки и подготовки устройства к работе. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения давления, влажности, а также скорости, направления и температуры воздуха.
Известны устройства, позволяющие измерять скорость ветра и температуру воздуха ультразвуковым методом («Прибор метеорологический автоматизированный» патент на изобретение №RU 2466435 от 10.11.2012 г.; «Преобразователь измерений метеорологических параметров окружающей среды» патент на полезную модель №RU 53024 от 27.04.2006 г.). Эти устройства для измерения трех компонентов вектора скорости ветра имеют в своем составе несколько пар ультразвуковых приемопередатчиков, ориентированных навстречу друг другу.
Недостатком подобной конструкции являются низкие скорость и точность измерений, большие габаритные размеры, а также необходимость предварительной юстировки. В устройствах такого типа измеряются временные интервалы прохождения сигнала от одного приемопередатчика до другого, расположенного вдоль оси измерения. Абсолютная погрешность измерения времени зависит от частоты ультразвукового сигнала, а также ограничена дискретностью времени вычислителя. Абсолютная погрешность измерения времени для двух приборов с идентичными характеристиками электронных компонентов и равным расстоянием между ультразвуковыми приемопередатчиками одинакова. Необходимость измерения трех компонент скорости приводит к тому, что в общем случае по каждой из осей измеряется меньшая по модулю величина, что приводит к росту относительной погрешности. Кроме того, в известных устройствах фактически дважды измеряются угловые координаты. Первый раз для определения ориентации системы датчиков в пространстве, а второй при определении направления ветра из компонент скорости. Погрешности этих измерений складываются.
Прототипом заявляемого изобретения является «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» патент на изобретение №RU 2319987 от 05.06.2006 г. В конструкции прототипа применено решение, позволяющее отслеживать неверные показания анемометра, связанные с изменением длины измерительной базы. Измерение длины производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Операция производится внутри ветрозащищенного бокс-контейнера. Однако прототип также обладает всеми перечисленными недостатками, присущими вышеперечисленным аналогам.
Задачей изобретения является устранение таких недостатков, как пониженные скорость и точность измерений, необходимость предварительной юстировки прибора, а также большие габаритные размеры. Технический результат - увеличение точности и скорости измерения модуля вектора скорости и направления ветра, уменьшение габаритных размеров, сокращение сроков установки и подготовки прибора к работе.
Указанный технический результат достигается за счет применения для измерения скорости воздушных масс ультразвукового анемометра в сочетании с флюгером на двухосевом шарнире и блоком датчиков, обеспечивающих определение положения флюгера в пространстве. Кроме того, в конструкции анемометра предусмотрено размещение дополнительного датчика температуры, позволяющего ввести поправку на температурное расширение конструкции и изменение измерительной базы (расстояния между ультразвуковыми датчиками).
На фиг. 1 представлен эскиз устройства, который состоит из флюгера на двухстепенном шарнире (1), блока датчиков (2) с вычислителем, системой электропитания и системой беспроводной передачи данных на портативную или стационарную ЭВМ, измерительного тракта ультразвукового анемометра. Измерительный тракт представляет собой металлический каркас (3) с закрепленными на противоположных сторонах ультразвуковыми приемопередатчиками (4). Блок датчиков содержит датчик угловых скоростей и трехкоординатный акселерометр, электронный магнитный компас, датчики давления, влажности и температуры. Блок датчиков располагается вблизи центра масс всей системы. Двухстепенной шарнир располагается в центре масс всей системы, что обеспечивает безразличное равновесие в спокойном воздухе (V=0). Оперение (5) имеет произвольную форму (например, х-образное, звездообразное, решетчатое, и т.д.), и обеспечивает ориентацию флюгера вдоль направления потока воздуха в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Оперенный флюгер на двухстепенном шарнире, закрепленный на штанге, ориентируется по направлению воздушного потока. Пространственное положение флюгера измеряется при помощи датчика магнитного поля (электронного магнитного компаса), датчиков угловых скоростей и трехкоординатного акселерометра. Атмосферное давление определяется цифровым барометрическим датчиком давления. Влажность и температура определяются соответствующими датчиками. Измерение параметров воздушной среды проводится ультразвуковыми приемопередатчиками в измерительном тракте. При измерении параметров воздушной среды происходит измерение времени прохождения звукового сигнала в прямом и обратном направлении. Изменение длины измерительной базы производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Далее вычислителем производится вычисление скорости звука в среде и скорости среды
Figure 00000001
Figure 00000002
где
с - скорость звука
L - длина измерительной базы
tпрям - время распространения сигнала в прямом направлении
tобр - время распространения сигнала в обратном направлении
Vвозд - скорость потока воздуха.
С учетом поправок на изменение влажности воздуха можно вычислить температуру воздуха
Figure 00000003
где
Т - абсолютная температура
М - молярная масса
γ - показатель адиабаты
R - универсальная газовая постоянная
е - парциальное давление водяных паров
p - атмосферное давление.
Измеренные и вычисленные метеорологические параметры: температура воздуха, атмосферное давление, влажность, величина и азимут горизонтальной компоненты скорости ветра, передаются по беспроводному интерфейсу в портативную ЭВМ для последующих интерпретации и визуализации.
Таким образом, описанное техническое решение за счет уменьшения количества ультразвуковых приемопередающих датчиков, оригинальной конструкции, алгоритмов измерения и вычисления, введения дополнительного датчика температуры позволяет повысить точность измерения модуля вектора скорости и направления ветра, температуры воздуха, уменьшить массогабаритные параметры, обеспечить быстрые установку и подготовку прибора к работе.

Claims (1)

  1. Метеостанция для измерения трехкоординатного вектора скорости воздуха и температуры, содержащая ультразвуковые приемо-передающие датчики, датчики температуры воздуха, датчики относительной влажности воздуха, датчики атмосферного давления, электромагнитный компас, устройство обработки информации, устройство передачи информации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит акселерометр, датчик угловых скоростей, флюгер, установленный на двухстепенном шарнире, причем ультразвуковые приемо-передающие датчики выполнены с возможностью измерения скорости потока воздуха и температуры и размещены на флюгере.
RU2017135384A 2017-10-05 2017-10-05 Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры RU2666971C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017135384A RU2666971C1 (ru) 2017-10-05 2017-10-05 Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017135384A RU2666971C1 (ru) 2017-10-05 2017-10-05 Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2666971C1 true RU2666971C1 (ru) 2018-09-13

Family

ID=63580176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017135384A RU2666971C1 (ru) 2017-10-05 2017-10-05 Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2666971C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2779615C2 (ru) * 2021-01-31 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Метеосоник" Ультразвуковой анемометр портативной метеостанции

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2319987C1 (ru) * 2006-06-05 2008-03-20 Институт мониторинга климатических и экологических систем Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений
CN102426266A (zh) * 2011-09-09 2012-04-25 湖南科技学院 一种电子风速仪
CN206193270U (zh) * 2016-11-10 2017-05-24 南京信息工程大学 一种一维超声波无线风速风向仪

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2319987C1 (ru) * 2006-06-05 2008-03-20 Институт мониторинга климатических и экологических систем Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений
CN102426266A (zh) * 2011-09-09 2012-04-25 湖南科技学院 一种电子风速仪
CN206193270U (zh) * 2016-11-10 2017-05-24 南京信息工程大学 一种一维超声波无线风速风向仪

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2779615C2 (ru) * 2021-01-31 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Метеосоник" Ультразвуковой анемометр портативной метеостанции

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wyngaard et al. Transducer-shadow effects on turbulence spectra measured by sonic anemometers
Arens et al. Measuring 3D indoor air velocity via an inexpensive low-power ultrasonic anemometer
Fairall et al. Integrated shipboard measurements of the marine boundary layer
Walker Physical and logistical considerations of using ultrasonic anemometers in aeolian sediment transport research
US7730776B2 (en) Vector wind sensor and integrated antenna
US20220099697A1 (en) Ultrasonic anemometers systems for sensing air flows in rooms and ducts
US20090319189A1 (en) Low cost, unattended weather sensor
Kaimal Sonic anemometer measurement of atmospheric turbulence
CN101769742A (zh) 海洋惯性重力组合导航装置
Grare et al. The influence of wind direction on Campbell Scientific CSAT3 and Gill R3-50 sonic anemometer measurements
RU2466435C1 (ru) Прибор метеорологический автоматизированный
CN110470860B (zh) 一种基于时差法超声波风速仪的校准方法
US6601447B1 (en) Acoustic anemometer for simultaneous measurement of three fluid flow vector components
Davies et al. Ultrasonic sensor for UAV flight navigation
RU2666971C1 (ru) Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры
US7949481B2 (en) Self-orienting embedded in-situ flux system
WO2018214839A1 (zh) 流速流量计与流速流量测量方法
CN101720422A (zh) 用于补偿探空仪的温度测量误差的方法
RU2561229C1 (ru) Буй для определения характеристик морских ветровых волн
CN107976721B (zh) 一种临近空间实时原位测风的装置及其方法
RU153990U1 (ru) Акустический анемометр
RU147970U1 (ru) Конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей ультразвукового 3d-анемометра
US7117735B2 (en) Fluid flow direction and velocity sensor
Azbukin et al. Hardware-software complex for studying the structure of the fields of temperature and turbulent wind fluctuations
US20210207984A1 (en) Systems and methods for operation of a sonic anemometer