Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений

Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения скорости ветра и температуры воздуха ультразвуковым методом.

Известны устройства для измерения скорости ветра и температуры воздуха ультразвуковым методом (1), имеющие в своем составе измерительный тракт, состоящий из нескольких пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников и соединенного с ними устройства измерения временных интервалов, которое подключено к вычислительному устройству, вычисляющему скорость ветра V и температуру воздуха Т (в градусах Кельвина) по формулам:

где Х₁ и X₂ - расстояния между ультразвуковыми излучателями и приемниками первой и второй пары соответственно, t₁ и t₂ - время распространения ультразвукового импульса от излучателя к приемнику первой и второй пары соответственно.

Недостатком данного устройства является возможность получения ошибочной информации о величинах V и Т в связи с возможным неконтролируемым изменением расстояний Х₁ и Х₂ между излучателями и приемниками, которое может произойти в процессе эксплуатации или транспортировки устройства. Вероятность получения такого повреждения ультразвукового термоанемометра достаточно высока, так общепринятым требованием к конструкции приборов этого типа является уменьшение влияния элементов несущей арматуры, на которой закрепляются ультразвуковые излучатели и приемники, на обтекающий ее ветровой поток. Это заставляет максимально уменьшать сечение несущей арматуры конструкции и, следовательно, уменьшать ее механическую прочность. Особенно актуальной эта проблема становится для переносных или бортовых (установленных на борту транспортного средства) ультразвуковых термоанемометров, подвергающихся в процессе эксплуатации значительным ударным и вибрационным нагрузкам, в результате которых может произойти нарушение геометрии конструкции несущей излучатели и приемники арматуры (изменение расстояний Х₁ и Х₂). Это, в свою очередь, приводит к существенным ошибкам при вычислении параметров V и T по формулам 1) и 2).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение возможности получения ошибочной информации о скорости ветра и температуре воздуха ультразвуковыми термоанемометрами из-за нарушения первоначальной геометрии измерительного тракта. Технический результат - автоматическое обнаружение изменения расстояний между излучателями и приемниками акустических сигналов, возникающего при эксплуатации прибора, определение новых значений этих расстояний и их ввод в вычислительный блок устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в состав ультразвукового термоанемометра дополнительно введены устройство сравнения, дополнительное вычислительное устройство, ветрозащитный бокс-контейнер (в котором до и в момент начала измерений размещается измерительный тракт ультразвукового термоанемометра), датчик сигнала закрытия бокса-контейнера и электронный датчик температуры воздуха внутри бокса-контейнера, причем выход основного вычислительного устройства подключен к первому входу устройства сравнения, ко второму входу устройства сравнения подключен датчик сигнала закрытия бокса-контейнера, выход устройства сравнения подключен к первому входу дополнительного вычислительного устройства, ко второму входу которого подключен измеритель временных интервалов, а к третьему входу - электронный датчик температуры воздуха, при этом выход дополнительного вычислительного устройства подключен к второму входу основного вычислительного устройства.

На фиг.1 изображена блок-схема предложенного устройства для случая измерения скорости ветра по одной координате).

Устройство содержит измерительный тракт, состоящий из двух пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников (1-1 и 2-2), устройство измерения временных интервалов (3), основное вычислительное устройство (4), устройство сравнения (5), дополнительное вычислительное устройство (6), ветрозащитный бокс-контейнер (7), датчик сигнала закрытия бокса-контейнера (8) и электронный датчик температуры воздуха внутри бокса-контейнера (9). При этом измерительный тракт соединен с устройством измерения временных интервалов (3), выход которого подключен как основному (4), так и к дополнительному (6) вычислительным устройствам. Устройство сравнения (5) подключено к основному вычислительному устройству (4) и к датчику сигнала закрытия бокса-контейнера (8), а его выход - к дополнительному вычислительному устройству (6). К последнему устройству (6) также подключен электронный датчик температуры воздуха внутри бокса-контейнера (9), при этом его выход подключен ко второму входу основного вычислительного устройства (4). Измерительный ультразвуковой тракт при транспортировке устройства и в момент его включения находится внутри бокса-контейнера и уже во включенном состоянии выносится из него для оценивания температуры и скорости ветра в открытой атмосфере.

Работа устройства основана на том, что при ультразвуковом методе измерений скорость ветра, равная нулю, является такой же значимой, как и ее любое другое, отличное от нуля, значение. Это позволяет при известном значении скорости ветра (в закрытом боксе-контейнере V=0) и известной (измеренной дополнительным датчиком внутри бокса-контейнера) температуре воздуха T решить обратную задачу, т.е. вычислить скорость звука как

и затем, используя результаты измерения величин t₁ и t₂, вычислить по формулам (полагая здесь V=0)

фактические на данный момент значения расстояний Х₁ и X₂, которые в дальнейшем могут использоваться при измерениях скорости ветра и температуры воздуха вне бокса-контейнера в соответствии с формулами 1) и 2).

Устройство работает следующим образом.

Включение устройства выполняется, когда измерительный тракт ультразвукового термоанемометра еще размещен в ветрозащитном боксе (он же может являться и транспортным контейнером устройства). При включении устройства и подаче питания на ультразвуковой термоанемометр последний автоматически начинает генерировать ультразвуковые импульсы с заданной частотой повторения (не менее 10 раз в секунду), которые распространяются через воздушную среду внутри бокса-контейнера от излучателей к приемникам (пары 1-1 и 2-2), проходя расстояния Х₁ и Х₂ соответственно. Устройство измерения временных интервалов (3) определяет времена распространения t₁ и t₂ каждого из ультразвуковых импульсов в обоих каналах, которые в виде цифрового кода поступают как в основное вычислительное устройство (4), так и в дополнительное (6). В основном вычислительном устройстве (4) по формулам 1) и 2) вычисляются значения скорости ветра V и температуры воздуха Т. Необходимые для этого первоначальные значения Х₁ и Х₂ при включении питания загружаются в оперативную память этого устройства из его энергонезависимой памяти, в которую они заносятся при заводской настройке ультразвукового термоанемометра. Вычисленное значение скорости ветра V поступает в виде цифрового кода из основного вычислительного устройства (4) в устройство сравнения (5), где оно сравнивается со значением «ноль» до тех пор, пока датчик (8) выдает сигнал, что крышка бокса-контейнера закрыта. Если вычисленное значение скорости ветра для воздуха внутри бокса-контейнера при закрытой его крышке не равно «нулю», то устройство сравнения (5) выдает на вход дополнительного вычислительного устройства (6) сигнал команды. По этой команде дополнительное вычислительное устройство (6) считывает показание датчика температуры воздуха внутри бокса-контейнера (9) и по формулам 3), 4) и 5) вычисляет новые значения расстояний Х₁ и Х₂, используя при этом последние значения t₁ и t₂, поступившие к нему из устройства измерения временных интервалов (3). Далее новые значения Х₁ и Х₂ передаются в оперативную память основного вычислительного устройства (4), где они используются до тех пор, пока не будет выключено питание устройства или не поступят другие значения Х₁ и Х₂ из дополнительного вычислительного устройства (6).

Таким образом, ультразвуковой термоанемометр с дополнительным устройством, предложенным в настоящей заявке на изобретение, автоматически обнаруживает изменения первоначальных значений расстояний Х₁ и Х₂ между ультразвуковыми излучателями и приемниками и оценивает их новые значения, что исключает возможность выдачи им ошибочных данных о скорости ветра и температуре воздуха, т.е. данное устройство автоматически восстанавливает свои точностные характеристики измерений после произошедших в процессе эксплуатации или транспортировки механических деформаций измерительного тракта.

Практическая реализация предложенного устройства выполнена следующим образом (фиг.2). В качестве ветрозащитного бокса-контейнера (7) использован контейнер, в котором ультразвуковой термоанемометр находится в транспортном положении. Открытие крышки контейнера и развертывание метеорологической мачты из транспортного положения в рабочее (с выдвижением закрепленного на ней измерительного тракта (1-1, 2-2, ...) ультразвукового термоанемометра) осуществляется по команде оператора с помощью электромеханического привода. Основное вычислительное устройство (4), устройство сравнения (5) и дополнительное вычислительное устройство (6) выполнены на базе микропроцессора PIC16F38, в качестве электронного датчика температуры (9) использован платиновый термометр сопротивления, в качестве датчика закрытия контейнера (8) - концевой выключатель.

Литература

1. Коллективная монография под редакцией М.В.Кабанова «Региональный мониторинг атмосферы». Часть 2. Новые приборы и методики измерений. Стр.208-212. Из-во СО РАН. Томск-1997.

Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений, состоящий из пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников, соединенного с ними устройства измерения временных интервалов, подключенного к основному вычислительному устройству, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены электронный датчик температуры воздуха, устройство сравнения, дополнительное вычислительное устройство, ветрозащитный бокс-контейнер и датчик сигнала его закрытия, причем в момент начала измерений измерительный тракт ультразвукового термоанемометра и электронный датчик температуры воздуха помещены в ветрозащитном боксе-контейнере, выход основного вычислительного устройства ультразвукового термоанемометра подключен к первому входу устройства сравнения, ко второму входу устройства сравнения подключен датчик сигнала закрытия бокса-контейнера, а его выход подключен к первому входу дополнительного вычислительного устройства, ко второму входу которого подключен измеритель временных интервалов, а к третьему входу - электронный датчик температуры воздуха внутри бокса-контейнера, при этом выход дополнительного вычислительного устройства подключен ко второму входу основного вычислительного устройства.