SU853584A1

SU853584A1 - Device for measuring turbulent transfers

Info

Publication number: SU853584A1
Application number: SU792778256A
Authority: SU
Inventors: Соломон Меерович Персин; Наталья Александровна Поликахина; Лариса Александровна Щепановская
Original assignee: Главная Геофизическая Обсерватория Им.A.И.Воейкова
Priority date: 1979-06-05
Filing date: 1979-06-05
Publication date: 1981-08-07

Description

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и предназначено для пульсационных измерений.The invention relates to the field of meteorological instrumentation and is intended for pulsation measurements.

Известны устройства для пульсационных измерений скорости ветра, содержащие фазовый акустический анемометр £1]. $Known devices for pulsed measurements of wind speed containing a phase acoustic anemometer £ 1]. $

Однако в этом устройстве диапазон анемометра составляет только +90°; при выходе за диапазон, как и в других подобных схемах, происходит скачок (с одного края диапазона на другой), при этом даже редкие выбросы приводят к грубым ошибкам в результате.However, in this device the range of the anemometer is only + 90 °; when going beyond the range, as in other similar schemes, a jump occurs (from one end of the range to the other), and even rare outliers lead to gross errors as a result.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения турбулентных переносов тепла и влаги, содержащее акустический датчик вертикальной составляющей скорости ветра с излучателем и приемниками, датчики температуры и влажности с выходом в виде напряжения и j блок регистрации £2j.Closest to the invention is a device for measuring turbulent transfers of heat and moisture, containing an acoustic sensor of the vertical component of the wind speed with the emitter and receivers, temperature and humidity sensors with voltage output and j recording unit £ 2j.

Недостатком этого устройства также является возникновение неустранимых ошибок при значениях пульсаций ветра (выб·*2 росах), выходящих за шкалу фазового анел. мометра 180°, что связано с неоднозначностью шкалы.The disadvantage of this device is the occurrence of fatal errors when the values of wind ripple (vy · * 2 ros), beyond the scale of phase anel. 180 ° meter, due to the ambiguity of the scale.

Целью изобретения является уменьшение погрешностей измерений.The aim of the invention is to reduce measurement errors.

Эго достигается тем, что устройство снабжено подключенными к приемникам акустического датчика формирователями с пороговыми схемами на выходе, преобразователем фазового сдвига сигналов Ψ в одну из двух последовательностей импульсов со скважностью Ч* или 1С-Ф и связанной с ним триггерной схемой выявления изменения порядка следования выходных импульсов датчика скорости ветра, подключенными к формирователям, а также подсоединенными к преобразователю и источнику опорного напряжения ключами и связанными с ними операционными уев*· лителями. При этом к двум из ключей подсоединены датчики пульсаций температуры и влажности, а выход усилителя канала ветра цепью инерционной обратной связиThis is achieved by the fact that the device is equipped with shapers connected to the receivers of the acoustic sensor with threshold circuits at the output, a phase shifter of the signals Ψ into one of two pulse sequences with a duty cycle of Ch * or 1C-F and the associated trigger circuit for detecting changes in the sequence of output pulses wind speed sensors connected to the shapers, as well as keys connected to the converter and the voltage reference source, and associated operating lights * · . At the same time, temperature and humidity pulsation sensors are connected to two of the keys, and the output of the wind channel amplifier by an inertial feedback circuit

85358 соединен с входом пороговой схемы одного из формирователей.85358 is connected to the input of the threshold circuit of one of the formers.

Устройство также может быть снабжено подключенными к выходам операционных усилителей 1?С-фильтрами, соединенны- ₅ми с коммутатором регистрирующего блока.The device can also be equipped with 1? C filters connected to the outputs of operational amplifiers, connected ₅ to the switch of the recording unit.

На чертеже представлена схема описываемого устройства.The drawing shows a diagram of the described device.

Устройство содержит измеритель акустических колебаний 1, приемники 2 и 2¹ , ю датчики пульсаций температуры и влажности 3 и 4, формирователи выходных сигналов анемометра 5,6 и 5', в¹, преобразователь 7 фазового сдвига Ψ сигналов анемометра в одну из двух последовательностей управляющих импульсов, триггерную схему 8. выявления изменения порядка следования выходных импульсов анемометра, ключи на переклкэчение 9, RC-фильтры 10, коммутатор 11, регистрирующую систему 12, цепь инерционной обратной связи 13 и операционные усилители 14.The device comprises an acoustic vibration meter 1, receivers 2 and 2 ¹ , th pulsation temperature and humidity sensors 3 and 4, anemometer output signal generators 5,6 and 5 ', in ¹ , a phase shift converter 7 of the anemometer signals into one of two control sequences pulses, trigger circuit 8. detecting changes in the order of the output pulses of the anemometer, switching keys 9, RC filters 10, switch 11, recording system 12, inertial feedback circuit 13 and operational amplifiers 14.

Формирователи сигналов анемометра состоят из пороговых схем (триггеров Шмидта) 5 и 3, преобразующих переменные напряжения на выходах приемников 2 и 2’ анемометра в напряжения прямоугольной формы, и формирователей коротких импульсов переднего фронта 6 и 6' .The anemometer signal conditioners consist of threshold circuits (Schmidt triggers) 5 and 3, which convert the alternating voltages at the outputs of the 2 and 2 ’anemometer receivers into rectangular voltages, and short-edge pulse generators 6 and 6 '.

Преобразователь 7 состоит из триггера Т и других логических схем И. Триггер Т опрокидывается по двум входам импульсами с выхода формирователей 6 и б’. На выходе триггера имеет место последовательность прямоугольных импульсов· со скважностью, определяемой сдвигом фаз Ф импульсов на выходах 6 и 6* (О 4 Ф 4. 360°). На выходах А и В преобразователи 7 схемами И формируются сигналы. Один из них равен нулюр а вто рой представляет последовательность прям оутольных импульсов со скважностью, оп ределяемой абсолютной величиной сдвига ф' , переднего фронта импульса на выходе триггера Шмидта 5* по отношению к заднему фронту импульса на выходе 5 Ф ). При Ф 7 О импульсы поступают на выход В, при Ф¹ 4 О - на выход А.Converter 7 consists of a trigger T and other logic circuits I. A trigger T is tipped over two inputs by pulses from the output of the formers 6 and b '. At the output of the trigger there is a sequence of rectangular pulses · with a duty cycle determined by the phase shift Φ of the pulses at the outputs 6 and 6 * (О 4 Ф 4. 360 °). At the outputs A and B, the converters 7 circuits And signals are formed. One of them is equal to zero, and the second one is a sequence of straight-off-pulse impulses with a duty cycle determined by the absolute value of the shift φ 'of the leading edge of the pulse at the output of the Schmidt trigger 5 * with respect to the trailing edge of the pulse at the output 5 Ф). When f 7 O pulses are fed to output B, when f ¹ 4 O to output A.

Аналогично построена схема для другой (горизонтальней) компоненты скорости ветра (U ), (на чертеже показаны только ее выводы А* и В¹ ).A similar diagram is constructed for the other (horizontal) component of the wind speed (U), (only its conclusions A * and B ¹ are shown in the drawing).

Выходные сигналы А,В (и инверсные сигналы А, В) преобразователя поступают на управляющие входы ключей на переключение 9. Схема 9 содержит два ключа на переключение (на полевых, триодах Т₄, Т_а в Τι, Т_А), осуществляющие при поДаThe output signals A, B (and inverse signals A, B) of the converter are supplied to the control inputs of the keys for switching 9. Scheme 9 contains two keys for switching (in the field, triodes T ₄ , T _and in Τι, T _A ), which

4 ί че управляющих сигналов подключение напряжения, поступающего на сигнальный вход К ключа 9, к сопротивлениям и на инвертирующем и неинвергируюодем входах операционного усилителя 14. При наличии на одном из выходов (А или В) преобразователя управляющей последовательности импульсов на соответствующем входе операционного усилителя (инвертирующем для сигнала А или неинвертирующем - для сигнала В) появляется последовательность, импульсов той же скважности, с амплитудой, определяемой напряжением на сигнальном входе ключа 9, Сигнал на другом 15 входе усилителя равен нулю. Конденсаторы4 ί of control signals connecting the voltage supplied to the signal input To key 9, to the resistances and to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier 14. If there is a control sequence of pulses at one of the outputs (A or B) at the corresponding input of the operational amplifier (inverting for signal A or non-inverting - for signal B) a sequence of pulses of the same duty cycle appears, with an amplitude determined by the voltage at the signal input of key 9, the signal is on another The 15 input to the amplifier is zero. Capacitors

С, и С₂ осуществляют фильтрацию последовательности прямоугольных импульсов и уменьшают требования к динамическим свойствам усилителя.C, and C ₂ filter the sequence of rectangular pulses and reduce the requirements for the dynamic properties of the amplifier.

Схемы 7, 9 и 14 анемометра осуществляют четырехквадрагное умножение сигналов, задаваемых сдвигом фазф анемометра и напряжениями на сигнальных входах ключей.Anemometer circuits 7, 9, and 14 perform quadratic multiplication of the signals specified by the phase shift of the anemometer and the voltages at the signal inputs of the keys.

Для исключения грубых ошибок, связанных с выбросами пульсаций вертикалвцрй компоненты за границы диапазона ±180° служит схема 8 (и аналогичная схема в канале горизонтальной компоненты), Схе30 ма 8 включает схему задержки (на малый интервал , превышающий длитель-. ность импульсов на выходах 6 и 6^Г), две логические схемы И и триггер.To eliminate gross errors associated with the emission of pulsations of the vertical component beyond the ± 180 ° range, use circuit 8 (and a similar circuit in the channel of the horizontal component), Scheme 30 ma 8 includes a delay circuit (for a small interval exceeding the pulse duration at the outputs 6 and 6 ^D ), two logical circuits AND and a trigger.

В нормальном* режиме работы импульсы, на выходах С и Д в схеме 8 отсутствуют. При переходе фазы Ф через значение, близкое к О или 360°, изменяется порядок следования импульсов на выходахIn normal * operation mode, pulses are absent at outputs C and D in circuit 8. When phase Φ passes through a value close to O or 360 °, the order of the pulses at the outputs changes

6 и 6', Импульс с выхода Д или С через схему ИЛИ опрокидывает триггер Т. Триггер Т индицирует выход фазы за границы диапазона (сигнал неоднозначности). Импульсы Д и С могут быть использованы также для расширения динамического диапазона фазового анемометра за границы +18D⁰.6 and 6 ', the Pulse from the output of D or C through the circuit OR overturns the trigger T. Trigger T indicates the phase out of the range (ambiguity signal). Pulses D and C can also be used to expand the dynamic range of the phase anemometer beyond + 18D ⁰ .

тt

На сигнальные входы ключей 9 в каналах формирования напряжений, пропорцио⁵⁰ нальных вертикальной и горизонтальной компонентам пульсаций ветра Ю и U , подается опорное напряжение (Jo . Для получения произведения ТЧЫ > , и U* (каналы; поток тепла, поток влаги, поток количества движения, дисперсия вертикальной и горизонтальной компонент) на сигнальные входы соответственно Подаются напряжения с датчиков пульсацийThe signal inputs of the keys 9 in the voltage-generating channels, proportional to ⁵⁰ vertical and horizontal components of the pulsations of the wind U and U, are supplied with a reference voltage (Jo. To obtain the product DOT>, and U * (channels; heat flux, moisture flux, momentum flux , dispersion of the vertical and horizontal components) to the signal inputs, respectively. Voltage is supplied from the ripple sensors

853584 6 температуры 3 и влажности 4 и с выходов операционных усилителей каналов W и U853584 6 temperature 3 and humidity 4 and from the outputs of the operational amplifiers of the channels W and U

Так как при измерениях пульсаций компонент ветра необходимо сключение (отработка) постоянной составляющей этих ком— 5 понёнт, то в устройстве выход операционного усилителя 14 канала ветра ХИ/ (и аналогично U ) через цепь инерционной от-; рицательной обратной связи 13 соединен со входом пороговой схемы 5', где сумм и- ю руется с переменным напряжением с приемника ^2¹.Since, when measuring the pulsations of the wind components, it is necessary to isolate (test) the constant component of these components — 5 components, then the output of the operational amplifier 14 of the CI / channel (and similarly U) through the inertial circuit is in the device; The negative feedback 13 is connected to the input of the threshold circuit 5 ', where the sum is adjusted with an alternating voltage from the receiver ^ 2 ¹ .

Для нахождения .средних , значений потоков необходимо интегрирование произведений TXV , UW . Для нахождения ку- ^,sсочнб-скользящих средних значений потоков, а также дисперсий и математических ожиданий в устройстве использованы RCфильтры 10 с большими постоянными времени (порядка 30°С), подключенные к ком-20 мутатору 11с регистрирующей системой 12, содержащей аналого-цифровой преобразователь и сумматор.To find. Averages, the values of the flows, the integration of the products TXV, UW is necessary. To find the ku ^{, s of the} comb-moving average values of the flows, as well as the variances and mathematical expectations, the device used RC filters 10 with large time constants (of the order of 30 ° C) connected to a com-20 mutator 11 with a recording system 12 containing analog-digital converter and adder.

Claims

The invention relates to the field of metephological instrumentation and is intended for pulse measurements. Apparatus for pulsating wind speed measurements is known that contains a phase acoustic anemometer 1. However, in this device, the range of the anemometer is only when out of range, as in other similar schemes, a jump occurs (from one edge of the range to another). even rare emissions result in gross errors as a result. The most blasted of the invention is a device for measuring turbulent transfers of heat and moisture, which contains an acoustic sensor of the vertical component of wind speed with a radiator in receivers, temperature and humidity sensors with voltage output and a recording unit 2, The disadvantage of this device is also the occurrence of unrecoverable errors at wind pulsation values (outliers) that go beyond the scale of the phase gauge 18O, which is due to the ambiguity of the scale. The aim of the invention is to reduce measurement errors. This is achieved by the fact that the device is equipped with formers connected to the acoustic sensor receivers with threshold circuits at the output, a phase shift transducer of the signals P into one of two pulse sequences with a duty cycle F and / or 1C-F and an associated trigger scheme for detecting changing the order of the Bbt pulse wind speed sensor pulses connected to the formers, as well as keys connected to the preoolator and the reference voltage source and associated operating elements . At the same time, temperature pulsation sensors and humidity sensors are connected to two of the keys, and the output of the wind channel amplifier is connected by an inertia feedback circuit to the input of the threshold circuit of one of the actuators. The device can also be equipped with RC filters connected to the outputs of operational amplifiers connected to a switch of the recording unit. The drawing shows the circuit of the device described. The device contains an acoustic oscillation meter 1, receivers 2 and 2, temperature and humidity guls fluctuation sensors 3 and 4, shapers of anemometer output signals 5.6 and 5, 6, a phase shift converter Φ 0 of the anemometer signals into one of two sequences of control pulses, trigger circuit 8. detecting changes in the order of the output pulses of the anemometer, switches for switching 9, RC filters 10, switch 11, recording system 12, inertial feedback circuit 13 and operational amplifiers 14, equipments in anemometer consist of threshold circuits (Schmitt triggers) 5 and converting an alternating voltage at the outputs of receivers 2 and 2 anemometer voltage in a rectangular shape, and the leading edge formgfovateley short pulses and 6; 6. Converter 7 consists of flip-flop T and other logic circuits, And flip-flop T is tilted by two inputs by pulses from the output of drivers 6 and b. At the output of the trigger, there is a sequence of square pulses with a duty cycle determined by the phase shift H of the pulses at outputs 6 and 6 (O F 4 360 °), At the outputs A and B of the transducers 7, the And signals are supplied to the signals. One of them is equal to zero and second represents a sequence of square-wave pulses with a duty cycle determined by the absolute value of the shift P, the leading edge of the pulse on the code of Schmidt trigger 5 with respect to the falling edge of the pulse at output 5 (xpirTC-f). At S О, the pulses go to output B, at F –C O - to output Similarly, the circuit for the other (horizontal) wind speed component W is constructed) (its drawing shows only A and B), Output signals A, B (and inverse converters A, B) of the converter arrive the control inputs of the switches for switching 9. 9 contains two switches for switching (pa field, T w T T to Tft, Tf), the processor-T1U1Yuyu with the control signals the voltage applied to the signal input K of the key 9, to the resistances 1 and f, j on the inverting and non-inverting the input inputs of the operational amplifier 14. The prc presence on one of the outputs (A or B) of the converter controlling the pulse sequence at the corresponding input of the operational amplifier (inverting for signal A or non-inverting for signal B) appears to be a sequence of pulses of the same size, with the amplitude determined by the voltage at the signal input of the switch 9; the signal at the other input of the amplifier is zero. Condensate C and Cj filter the sequence of rectangular pulses and reduce the requirements on the dynamic properties of the amplifier. Circuits 7, 9, and 14 of the anemometer perform four-square multiplication of the signals specified by the phase shift of the anemometer and the voltages at the signal inputs of the keys. In order to eliminate gross errors associated with emissions of the verticals, the n /) components outside the range of ± 180 ° are scheme 8 (n is similar to the scheme in the channel of the horizontal component). Scheme 8 includes cxeMj: delays (by a small interval L-t, longer than the duration of the.-Bone of the pulses at the outputs 6 and b), two logical schemes And and the trigger. In normal operation, the pulses at the outputs C and D in circuit 8 are missing. When the phase passes through a value close to O or 360, the order of the pulses at outputs 6 and 6 changes, Pulse from code D or C through the OR circuit tilts trigger T, Trigger T indicates phase out-of-band (ambiguity signal). Pulses D and C can also be used to extend the dynamic range of the phase anemometer beyond the boundaries. The signal inputs of the keys 9 in the formation channels of the ngphen, proportional to the vertical and horizontal components of the wind pulsations LU and U, are supplied by the reference voltage Oo. To obtain the PMT, UV, C / N U (channels; heat flow, moisture flow, the flow of momentum, dispersion of BepTRKanbHcrfi and horizontal component) to the signal inputs are respectively supplied voltage from the pulsation sensors of the temperature 3 and humidity 4 and from the output amplifiers of the W channels to the U Since during the pulsation of the wind there is no movement | € m If the constant component of these compo- nents is switched off (refined), then in the device the output of the operational amplifier 14 of the wind channel Vd / (and similarly U) through an inertial negative feedback link 13 is connected to the input of the threshold circuit 5, where it is summed up with variable voltages 1 from the receiver 2. To find the averages, the flow values need to be integrated (fuzzing,, / To find the piecewise-moving averages of the flows, as well as the variances and mathematical expectations, the device uses SchS filters 10 with large constants GOVERNMENTAL time (order), connected to the commutators 11c of the recording system 12 comprising an analog-to-digital Conversion (studio and an adder. Claim 1. Device for measuring touring transfers, comprising acoustically sensor vertical and longitudinal complex iT wind speed with emitter and receivers, pulsation sensors of temperature and humidity, as well as a recording unit with a switch, I discern the purpose of the measurement error measurement, it is supplied with a terminal for the acoustic sensor of the wind speed sensor fsrmrseatel mn with input thresholds, the converter of the phase shift of signals 1 into one of two sequences The M IBMs with a ratio of –tt VLN fc in the associated gripping circuit are installed in the output of the sensors in the output pulses of the wind speed sensor connected to the drivers, and also connected to the converter in the source of the reference voltage of the control cords, and connected to the converter in the source of the reference voltage of the controllers connected to it and connected to the converter in the output source of the reference voltage. with them operating usvl1gtel mV | at the same time, the temperature pulsation temperature sensors in the humidity are connected to two keys, and the output of the wind amplifier is connected to the input of the ncpcroBofi circuit of one of the formers. , 2, The device according to tu 1, that is, that the ovo is equipped with, connected to the outputs of the rear door switches, RC RC, connected to the switchboard of the registering unit, Istifgakvnv vstvdvvv, prt shye vmanve under expert review 1. Author's certificate of the SCPRS No. ZO0828, ka. G O1 P 5 / OO, 197O.

2.Ob. The complex of instrument DLv measuring turbulent flows in the ground layer atms) sphere. L ,, Gvdrometeovzdat, 1976, p. 68