RU2675418C1 - Ультразвуковой акустический анемометр - Google Patents
Ультразвуковой акустический анемометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2675418C1 RU2675418C1 RU2018105825A RU2018105825A RU2675418C1 RU 2675418 C1 RU2675418 C1 RU 2675418C1 RU 2018105825 A RU2018105825 A RU 2018105825A RU 2018105825 A RU2018105825 A RU 2018105825A RU 2675418 C1 RU2675418 C1 RU 2675418C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- base
- piezoelectric transducer
- piezoelectric
- probe
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 28
- 101100494726 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) pep-4 gene Proteins 0.000 description 9
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 9
- 101100189913 Caenorhabditis elegans pept-1 gene Proteins 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 101100163944 Necator americanus apr-2 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Atmospheric Sciences (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Ecology (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Использование: для измерения скорости и направления перемещения воздушных масс в трехмерном пространстве. Сущность изобретения заключается в том, что пьезоэлектрические преобразователи ультразвукового акустического анемометра закреплены на каркасе в вершинах основания и вершине призмы с основанием в виде равностороннего треугольника и подключены к блоку формирования сигнала, приема и обработки данных, выход которого, в свою очередь, подключен к входу блока сбора информации. Ось пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы, направлена в центр основания призмы, а оси пьезоэлектрических преобразователей, закрепленных в вершинах основания призмы, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения скорости и направления перемещения воздушного потока. 3 ил.
Description
Изобретение относится к приборостроению, а именно к приборам для измерения скорости и направления - анемометрам, и предназначено для измерения скорости и направления перемещения воздушных масс в трехмерном пространстве.
Известен анемометр, содержащий закрепленный на выдвижной штанге первичный преобразователь, выполненный в виде шестилопастной крыльчатки, бесконтактный индуктивный переключатель и блок обработки данных, соединенный с первичным преобразователем спиральным проводником, размещенным в штанге. Возникающие при вращении крыльчатки электрические импульсы поступают к блоку обработки данных, где они преобразовываются в линейно-пропорциональное к частоте импульсов показание скорости течения (Анемометр / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://granat-e.ru/apr_2.html (дата обращения: 22.01.2018)).
Основными недостатками описанного анемометра являются пониженная точность измерения, пониженные надежность и срок службы вследствие наличия подвижной механической части, в которой коэффициент скольжения оси крыльчатки может зависеть от времени и внешних условий. Кроме того, функциональные возможности известного устройства ограничены измерением вектора скорости только по одной координате.
Эти недостатки частично устраняются в акустическом анемометре, содержащем восемь пьезоэлектрических преобразователей, закрепленных на каркасе, выполненном в виде двух колец, расположенных во взаимно-ортогональных плоскостях, ориентированных вертикально, блок формирования сигнала, приема и обработки данных, к выводам которого подключены пьезоэлектрические преобразователи, и блок сбора информации. При этом на каждом кольце через равномерные промежутки закреплены четыре пьезоэлектрических преобразователя с пересечением осей симметрии в центре кольца, в сторону которого направлены рабочие поверхности пьезоэлектрических преобразователей, предназначенных для излучения и приема акустических колебаний. Анемометр предназначен для измерения трех ортогональных компонентов вектора скорости ветра и формирования информации о направлении и скорости ветра, соответствующих измеренным значениям времени прохождения акустических колебаний в четырех различных направлениях между парами пьезоэлектрических преобразователей (АМЯ2.702.092 РЭ Руководство по эксплуатации. Автономный переносной метеорологический комплекс для научных исследований в экспедиционных условиях «ЭКСМЕ-ТЕО-01». - Томск, 2007. - С. 7-12; патент RU 2319987, МПК G01W 1/02 (2006.01)).
Основным недостатком описанного устройства является низкая надежность работы вследствие сложной конструкции и большого числа датчиков.
Более простую конструкцию имеет акустический анемометр, содержащий три пары датчиков, связанных с блоком формирования и приема сигнала, подключенным к управляющему его работой и обрабатывающему результаты измерений микропроцессору. Три пары датчиков расположены на трех взаимно перпендикулярных осях, соответствующих декартовым координатам, что позволяет измерять скорость перемещения воздушных масс в трех взаимно перпендикулярных направлениях (Quaranta A Alberigi, Aprilesi G С, De Cicco G and Taroni A. A microprocessor based, three axes, ultrasonic anemometer / A Alberigi Quaranta. G С Aprilesi, G De Cicco, A Taroni // J. Phys. E: Sci. Instrum. - 1985. - Vol 18. - C. 384-387 / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3735/18/5/004/meta (дата обращения: 23.01.2018)).
Однако, наличие трех пар датчиков усложняет конструкцию устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является ультразвуковой акустический анемометр, содержащий четыре пьезоэлектрических преобразователя для измерения трех ортогональных компонентов вектора скорости ветра, закрепленные на каркасе в вершинах основания и вершине призмы с основанием в виде равностороннего треугольника и подключенные к блоку формирования сигнала, приема и обработки данных, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу блока сбора информации. При этом оси пьезоэлектрических преобразователей, которые перпендикулярны их поверхностям, излучающим или принимающим акустический сигнал, направлены в середину линии, опущенной из вершины призмы в центр ее основания. Таким образом, в частном случае, при выполнении призмы в форме тетраэдра, оси всех пьезоэлектрических преобразователей будут направлены в его центр. Анемометр формирует информацию о направлении и скорости ветра, соответствующую измеренным значениям времени прохождения ультразвуковых сигналов в трех различных направлениях (патент FR 2628216(А1), МПК G01P 13/02, G01P 5/18, G01P 5/24).
Основным недостатком ультразвукового акустического анемометра является пониженная точность измерения скорости и направления перемещения воздушного потока вследствие низкой помехозащищенности, поскольку пересечение осей пьезоэлектрических преобразователей в центре призмы приводит к уменьшению интенсивности излучаемого и регистрируемого сигнала за счет того, что направление излучения и приема сигнала не совпадает с направлением максимума диаграммы направленности.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании ультразвукового акустического анемометра, позволяющего повысить точность измерения скорости и направления перемещения воздушного потока путем повышения интенсивности акустических сигналов, доходящих до воспринимающих их пьезоэлектрических преобразователей.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в ультразвуковом акустическом анемометре, содержащем пьезоэлектрические преобразователи, закрепленные на каркасе в вершинах призмы с основанием в виде равностороннего треугольника и подключенные к блоку формирования сигнала, приема и обработки данных, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу блока сбора информации, при этом ось пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы, направлена в центр основания призмы, согласно изобретению оси пьезоэлектрических преобразователей, закрепленных в вершинах основания призмы, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы.
Повышение точности измерения скорости и направления перемещения воздушного потока объясняется тем, что оси расположенных в основании пирамиды пьезоэлектрических преобразователей смещены не в ее центр, а направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя, расположенного в вершине пирамиды, за счет чего повышается интенсивность акустических волн, испущенных ими и достигающих чувствительной поверхности этого пьезоэлектрического преобразователя. Аналогично, повышается и интенсивность акустических волн, излученных пьезоэлектрическими преобразователями, расположенных в вершинах основания пирамиды и достигающих чувствительной поверхности пьезоэлектрических преобразователей, расположенных в основании пирамиды. В результате за счет повышения интенсивности воспринимаемого пьезоэлектрическими преобразователями акустического сигнала повышается отношение сигнал/шум и уменьшается влияние других помех, которые могут воздействовать на пьезоэлектрические преобразователи. А это в свою очередь повышает точность определения времени прохождения акустической волны между пьезоэлектрическими преобразователями и в конечном итоге повышает точность измерения скорости и направления движения воздушных масс.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена структурная схема ультразвукового акустического анемометра; на фиг. 2 изображено конструктивное исполнения крепления пьезоэлектрических преобразователей анемометра; на фиг. 3 приведена временная диаграмма работы пьезоэлектрических преобразователей.
Кроме того, на чертеже аббревиатурой ПЭП обозначены пьезоэлектрические преобразователи.
Ультразвуковой акустический анемометр содержит блок 1 сбора информации, блок 2 формирования сигнала, приема и обработки данных, пьезоэлектрические преобразователи 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2), 5 (ПЭП 3), 6 (ПЭП 4), закрепленные на каркасе 7 в вершинах основания и вершине призмы с основанием в виде равностороннего треугольника. Пьезоэлектрические преобразователи 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2), 5 (ПЭП 3), 6 (ПЭП 4) подключены к четырем группам выводов блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных, выход которого подключен ко входу блока 1 сбора информации. Все выводы блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных, подключенные к пьезоэлектрическим преобразователям 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2), 5 (ПЭП 3), 6 (ПЭП 4), могут выполнять функцию как входа, так и выхода, в зависимости от того, находится ли пьезоэлектрический преобразователь в режиме приема или излучения акустического сигнала. Если блок 1 сбора информации дополнительно выполняет функцию управляющего устройства, то линии связи между ним и блоком 2 формирования сигнала, приема и обработки данных могут также быть двунаправленными.
Ось пьезоэлектрического преобразователя 6 (ПЭП 4), закрепленного на каркасе 7 в вершине призмы, направлена в центр основания призмы. Оси пьезоэлектрических преобразователей 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2) и 5 (ПЭП 3), закрепленных на каркасе 7 в вершинах основания призмы, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя 6 (ПЭП 4), закрепленного на каркасе 7 в вершине призмы.
Ультразвуковой акустический анемометр работает следующим образом.
Измерительный цикл начинается с того, что блок 2 формирования сигнала, приема и обработки данных формирует на выходе периодический электрический сигнал прямоугольной формы, который поступает на размещенный в вершине призмы пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4), ось излучения и приема акустических сигналов которого направлена в центр основания призмы. Оси трех остальных пьезоэлектрических преобразователей 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2), 5 (ПЭП 3), перпендикулярные плоскости излучения и приема колебаний, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя 6 (ПЭП 4).
Пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4) преобразовывает поступающий на него от блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных электрический сигнал в акустические колебания ультразвуковой частоты. Акустическая волна достигает лежащие в основании призмы пьезоэлектрические преобразователи 3 (ПЭП 1), 4 (ПЭП 2), 5 (ПЭП 3). в том числе и пьезоэлектрический преобразователь 4 (ПЭП 2). Пьезоэлектрический преобразователь 4 (ПЭП 2) преобразовывает акустические колебания в электрический сигнал. Электрический сигнал поступает на вход блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных. При этом фиксируется и запоминается во внутренней памяти блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных время от начала излучения акустической волны пьезоэлектрическим преобразователем 6 (ПЭП 4) до ее достижения пьезоэлектрического преобразователя 4 (ПЭП 2). После регистрации этого времени блок 2 формирования сигнала, приема и обработки данных формирует на выходе периодический электрический сигнал ультразвуковой частоты прямоугольной формы, который поступает уже на пьезоэлектрический преобразователь 4 (ПЭП 2), переходящий в режим излучения акустических сигналов. Пьезоэлектрический преобразователь 4 (ПЭП 2) преобразовывает этот электрический сигнал в акустические колебания. Посланная им акустическая волна достигает пьезоэлектрического преобразователя 6 (ПЭП 4). При этом пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4) переводится блоком 2 формирования сигнала, приема и обработки данных в режим приема сигналов и преобразовывает доходящие до него акустические колебания в электрический сигнал. Зарегистрированный пьезоэлектрическим преобразователем 6 (ПЭП 4) посланный от пьезоэлектрического преобразователя 4 (ПЭП 2) акустический сигнал поступает на вход блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных, в котором фиксируется и запоминается во внутренней памяти блока 2 формирования сигнала, приема и передачи данных время от начала излучения акустической волны пьезоэлектрическим преобразователем 4 (ПЭП) 2 до ее достижения пьезоэлектрического преобразователя 6 (ПЭП 4).
Процесс формирования электрического сигнала, приема акустической волны и запоминания времени движения акустической волны от одного пьезоэлектрического преобразователя к другому пьезоэлектрическому преобразователю повторяется для пар пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4) и пьезоэлектрический преобразователь 5 (ПЭП 3), пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4) и пьезоэлектрический преобразователь 3 (ПЭП 1). Реализация таких процессов осуществима благодаря возможности пьезоэлектрического преобразователя работать как в режиме излучения, так и приема акустической волны, а каждого из подключенных к нему входов/выходов блока 2 формирования сигнала, приема и обработки данных как передавать, так и принимать электрические сигналы. В показанной на фиг. 3. временной диаграмме последовательность режимов работы пьезоэлектрического преобразователя задана так, что за время полного цикла именно пьезоэлектрический преобразователь 6 (ПЭП 4) всегда является общим для каждой из трех пар, что является обязательным условием.
После измерения всех времен прохождения акустической волны между парами пьезоэлектрических преобразователей полученная информация передается в блок 1 сбора информации, который осуществляет расчет компонентов вектора скорости через известные значения расстояний между пьезоэлектрическими преобразователями и полученные им в процессе измерения времена распространения акустической волны в прямом и обратном направлениях между парами пьезоэлектрических преобразователей и осуществляет переход от базиса, определяемого лучами, проходящими через центры излучающих и принимающих акустический сигнал поверхностей пьезоэлектрических преобразователей, то есть ребер призмы, к ортогональному базису, осуществляя тем самым расчет значений проекций вектора в декартовых координатах. При вычисляется также расчет и модулей вектора скорости как в трехмерном пространстве, так и в двумерном пространстве, плоскость которого совпадает с основанием призмы.
Для такого пересчета можно воспользоваться матрицей перехода от одного базиса к другому, используя соотношения, известные в линейной алгебре (Режим доступа: http://procmem.ru/page/matrica-perehoda).
Таким образом, использование предложенного устройства позволяет повысить точность измерения скорости и направления перемещения воздушного потока.
Claims (1)
- Ультразвуковой акустический анемометр, содержащий пьезоэлектрические преобразователи, закрепленные на каркасе в вершинах основания и вершине призмы с основанием в виде равностороннего треугольника и подключенные к блоку формирования сигнала, приема и обработки данных, выход которого, в свою очередь, подключен к входу блока сбора информации, при этом ось пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы, направлена в центр основания призмы, отличающийся тем, что оси пьезоэлектрических преобразователей, закрепленных в вершинах основания призмы, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине призмы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018105825A RU2675418C1 (ru) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Ультразвуковой акустический анемометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018105825A RU2675418C1 (ru) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Ультразвуковой акустический анемометр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2675418C1 true RU2675418C1 (ru) | 2018-12-19 |
Family
ID=64753421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018105825A RU2675418C1 (ru) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Ультразвуковой акустический анемометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2675418C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU189744U1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун" (ФГБУ "НПО "Тайфун") | Ультразвуковой измеритель скоростей потока |
RU208766U1 (ru) * | 2021-09-16 | 2022-01-12 | Акционерное общество "ЛОМО" | Акустический анемометр |
RU2801963C1 (ru) * | 2022-12-12 | 2023-08-21 | Акционерное общество "Уральское производственное предприятие "Вектор" | Анемометр-термометр ультразвуковой и способ компенсации искажений воздушного потока, вносимых каркасом анемометра-термометра |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU481837A1 (ru) * | 1973-01-08 | 1975-08-25 | Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова | Трехкомпонентный акустический анемометр |
FR2628216A1 (fr) * | 1988-03-03 | 1989-09-08 | Simecsol | Anemometre ultrasonore |
RU2466435C1 (ru) * | 2011-04-05 | 2012-11-10 | Закрытое акционерное общество "Центр Специального Конструирования - Вектор" | Прибор метеорологический автоматизированный |
RU147970U1 (ru) * | 2014-08-12 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Сибирский аналитический прибор" (ООО "Сибаналитприбор") | Конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей ультразвукового 3d-анемометра |
CN204789618U (zh) * | 2015-06-24 | 2015-11-18 | 吉林大学 | 超声波风速风向测量装置 |
-
2018
- 2018-02-15 RU RU2018105825A patent/RU2675418C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU481837A1 (ru) * | 1973-01-08 | 1975-08-25 | Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова | Трехкомпонентный акустический анемометр |
FR2628216A1 (fr) * | 1988-03-03 | 1989-09-08 | Simecsol | Anemometre ultrasonore |
RU2466435C1 (ru) * | 2011-04-05 | 2012-11-10 | Закрытое акционерное общество "Центр Специального Конструирования - Вектор" | Прибор метеорологический автоматизированный |
RU147970U1 (ru) * | 2014-08-12 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Сибирский аналитический прибор" (ООО "Сибаналитприбор") | Конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей ультразвукового 3d-анемометра |
CN204789618U (zh) * | 2015-06-24 | 2015-11-18 | 吉林大学 | 超声波风速风向测量装置 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU189744U1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун" (ФГБУ "НПО "Тайфун") | Ультразвуковой измеритель скоростей потока |
RU208766U1 (ru) * | 2021-09-16 | 2022-01-12 | Акционерное общество "ЛОМО" | Акустический анемометр |
RU2801963C1 (ru) * | 2022-12-12 | 2023-08-21 | Акционерное общество "Уральское производственное предприятие "Вектор" | Анемометр-термометр ультразвуковой и способ компенсации искажений воздушного потока, вносимых каркасом анемометра-термометра |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5812317B2 (ja) | 超音波計測システム | |
RU2675418C1 (ru) | Ультразвуковой акустический анемометр | |
Lee et al. | A high-resolution ultrasonic distance measurement system using vernier caliper phase meter | |
JPH01158375A (ja) | 超音波を用いて任意の表面上の物体の位置と状態を決定する方法と装置 | |
Tsai et al. | High accuracy ultrasonic air temperature measurement using multi-frequency continuous wave | |
JP5442215B2 (ja) | 超音波距離計測システム | |
RU2699939C1 (ru) | Ультразвуковой анемометр | |
CN104764522A (zh) | 一种超声功率测量方法及装置 | |
RU153990U1 (ru) | Акустический анемометр | |
RU169800U1 (ru) | Акустический анемометр | |
Chandran et al. | Time of flight measurement system for an ultrasonic anemometer | |
RU206371U1 (ru) | Акустический анемометр | |
RU160408U1 (ru) | Акустический анемометр | |
Lamancusa et al. | Ranging errors caused by angular misalignment between ultrasonic transducer pairs | |
Chandran et al. | FPGA based ToF measurement system for ultrasonic anemometer | |
RU210598U1 (ru) | Акустический анемометр | |
RU215717U1 (ru) | Акустический анемометр | |
RU113012U1 (ru) | Ультразвуковой измеритель скоростей потока | |
CN202854166U (zh) | 便携式声学多普勒流速仪 | |
RU164305U1 (ru) | Акустический анемометр | |
KR100457048B1 (ko) | 초음파 위치좌표 측정방법 | |
RU2568993C1 (ru) | Способ поверки ультразвуковых анемометров и портативные устройства для его осуществления | |
RU208766U1 (ru) | Акустический анемометр | |
RU44391U1 (ru) | Акустический анемометр | |
JP3605928B2 (ja) | 感震装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200216 |