УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТЕЙ ПОТОКА Российский патент 2014 года по МПК G01P5/00 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно, к технике измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, а также вертикальной компоненты скорости ветра и может быть использовано в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.

В настоящее время в практике метеорологического обеспечения полетов авиации широко используются датчики параметров ветра как винтокрылые, так и акустические анемометры.

Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили винтокрылые датчики, в которых используются ветреные датчики, которые определяют скорость ветра по угловой скорости вращения, а направление - по расположению вертушек вдоль направления ветра благодаря наличию флюгеров [1, 2, 3].

В настоящее время стали применять для измерения скорости ветра и его направлений акустические анемометры [4], которые имеют преимущество, т.к. не содержат механически вращающихся элементов (вертушек и флюгеров), наличие которых сильно уменьшает надежность измерителей скорости ветра и его направлений.

К недостаткам известных технических решений можно отнести невозможность измерения вертикальной составляющей скорости ветра, что может привести к усложнению условий посадки воздушных судов.

Известен ультразвуковой измеритель пульсирующих скоростей потока [5], содержащий два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к первому блоку вычитания, синхронизатор и регистратор.

К недостаткам известного измерителя можно отнести его ограниченные возможности, т.к. он предназначен только для измерения скорости ветра, а такие параметры, как направление ветра и вертикальную составляющую ветра измерить невозможно.

Известен ультразвуковой измеритель скоростей потока [6], который содержит три канала измерения скорости ветра I, II и III.

Каждый из каналов измерения скорости ветра включает по два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания.

Выходы блока вычитания каждого канала измерения связаны с вычислительным устройством.

Электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.

К недостаткам известного измерителя скоростей потока можно отнести низкую точность измерения горизонтальной и вертикальной составляющих скоростей ветра и направления ветра.

Известен ультразвуковой измеритель скоростей потока [7], содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, преобразователь временной интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, при этом выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.

Каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен двумя компараторами, тремя триггерами и узлом выделения третьего периода синусоид, при этом входы компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к узлу выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко второму входу второго триггера, ко второму входу первого триггера и ко второму входу третьего триггера, кроме того, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, а выход третьего триггера подключен к первому входу второго триггера, причем выход второго триггера подключен к преобразователю временной интервал-цифра.

К недостаткам известного ультразвукового измерителя скоростей потока можно отнести существенную зависимость точности измерений от технологического разброса параметров электроакустических преобразователей.

Известен ультразвуковой измеритель скоростей потока [8], содержащий три канала измерения скорости ветра, каждый из которых включает два обратимых электроакустических преобразователя, подключенные через коммутатор к передатчику и приемнику импульсных сигналов, два компаратора, входы которых подключены к коммутатору, три триггера и узел выделения третьего периода синусоид, при этом выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен к второму входу второго триггера и к второму входу третьего триггера, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход второго триггера подключен к преобразователю временного интервал-цифра, выход которого через блок деления подключен к блоку вычитания, выходы блоков вычитания всех трех каналов измерения скорости ветра связаны с вычислительным устройством, а электроакустические преобразователи каждого канала измерения скорости ветра образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, при этом каждый из трех каналов измерения скорости ветра дополнен последовательно соединенными согласующим устройством, третьим компаратором и счетчиком, четвертым триггером и ключевым устройством, при этом выход счетчика одновременно подключен к второму входу ключевого устройства и первому входу четвертого триггера, выход которого соединен со вторым входом счетчика, а второй вход соединен с выходом узла выделения третьего периода синусоид, первый вход ключевого устройства подключен к выходу третьего компаратора, а его выход - к первому входу второго триггера, вход согласующего устройства соединен с первым входом третьего компаратора.

К недостаткам известного ультразвукового измерителя скоростей потока можно отнести недостаточную надежность, технологичность и повышенные материалоемкость и энергопотребление, что обусловлено значительным количеством активных устройств в каждом канале измерения. Это обстоятельство приводит к сложности изготовления, повышенным масса-габаритным показателям, что увеличивает себестоимость ультразвукового измерителя скоростей потока.

Повышенные масса-габаритные размеры и энергопотребление ограничивают возможность использования таких приборов в переносных и автоматических с автономным питанием метеостанциях.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является ультразвуковой измеритель скоростей потока [9], содержащий три измерительные базы, включающие по два обратимых электроакустических преобразователя, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60°) в вертикальной плоскости, а также коммутатор, к которому подключены передатчик и приемник импульсных сигналов, три компаратора, четыре триггера, узел выделения третьего периода синусоид, согласующее устройство, счетчик, ключевое устройство и последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра, блок деления, блок вычитания и вычислительное устройство, а также устройство синхронизации, логический сумматор и шесть ключей, по два в каждой измерительной базе, при этом выход согласующего устройства подключен к входу третьего компаратора, выход которого подключен к первому входу счетчика, выход счетчика одновременно соединен со вторым входом ключевого устройства и с первым входом четвертого триггера, выход которого подключен ко второму входу счетчика, входы первого и второго компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, выход которого подключен ко вторым входам первого, второго, третьего и четвертого триггеров, а первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход третьего триггера подключен к первому входу ключевого устройства, выход которого подключен к первому входу второго триггера, а выход второго триггера подключен к преобразователю временной интервал-цифра и к устройству синхронизации, первый вход каждого ключа соединен с выходом соответствующего акустического преобразователя своей измерительной базы, выходы ключей, входы которых подключены к первым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, одновременно подключены к одному входу коммутатора, выходы ключей, входы которых подключены ко вторым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, подключены к другому входу коммутатора, вторые входы ключей первой измерительной базы подключены к первому выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей второй измерительной базы подключены ко второму выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей третьей измерительной базы подключены к третьему выходу устройства синхронизации, первый, второй и третий входы логического сумматора подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации, а его выход одновременно подключен к коммутатору и вычислительному устройству.

К недостаткам известного устройства следует отнести низкую надежность и ограниченный температурный диапазон функционирования.

Это связано с тем, что параметры электроакустических преобразователей, имея значительный технологический разброс, существенно зависят от внешних факторов, особенно от температуры окружающей среды. Кроме того, разброс значений этих параметров усиливается после герметизации ультразвуковых преобразователей и механического крепления их в конструкции прибора.

Следует отметить, что механические свойства герметиков под действием температуры окружающей среды изменяются, приводя к дополнительным изменениям параметров электроакустических преобразователей. При этом точность установки длин измерительных баз в приборе обеспечивается за счет более жесткой механической фиксацией электроакустических преобразователей, что приводит к повышению уровня вибрационных помех и, следовательно, к необходимости увеличения в 1,5-2 раза порога срабатывания первого компаратора известного устройства.

Таким образом, уровни сигналов прямого и обратного хода при приеме и излучении в каждой измерительной базе, существенно отличаясь друг от друга уже в процессе изготовления прибора, при эксплуатации в результате воздействия внешних неблагоприятных факторов могут быть ниже порога срабатывания первого компаратора известного устройства, что приведет к сбоям в измерениях и появлению ложной информации.

Более того, известно, что все электроакустические преобразователи даже фирм «Murata» имеют нижний порог температуры функционирования -30°С÷-40°C, что не соответствует требованиям функционирования метеорологических приборов, для которых установленный нижний порог температурного диапазона функционирования составляет -55°C, и является серьезным недостатком устройства.

Кроме того, зафиксированы случаи обледенения (образования наледи) на элементах конструкции измерительной базы известного устройства при воздействии дождя или мокрого снега при температурах окружающего воздуха в диапазоне от 0°C до -2°C или загрязнения рабочих поверхностей электроакустических преобразователей, что приводило к полной потери работоспособности известного устройства и выдаче ложной информации в течение длительного времени, т.к. приборы устанавливаются на значительных расстояниях от диспетчерских пунктов сбора метеорологической информации.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и расширение температурного диапазона функционирования.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого ультразвукового измерителя скоростей потока, который, как и прототип, содержит три измерительные базы, включающие по два обратимых электроакустических преобразователя, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60°) в вертикальной плоскости, а также коммутатор, к которому подключены передатчик и приемник импульсных сигналов, три компаратора, четыре триггера, узел выделения третьего периода синусоид, согласующее устройство, счетчик, ключевое устройство и последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра, блок деления, блок вычитания и вычислительное устройство, а также устройство синхронизации, логический сумматор и шесть ключей, по два в каждой измерительной базе, при этом выход согласующего устройства подключен к входу третьего компаратора, выход которого подключен к первому входу счетчика, выход счетчика одновременно соединен со вторым входом ключевого устройства и с первым входом четвертого триггера, выход которого подключен ко второму входу счетчика, входы первого и второго компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид, а первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход третьего триггера подключен к первому входу ключевого устройства, выход которого подключен к первому входу второго триггера, а выход второго триггера подключен к преобразователю временной интервал-цифра и устройству синхронизации, первый вход каждого ключа соединен с выходом соответствующего электроакустического преобразователя своей измерительной базы, выходы ключей, входы которых подключены к первым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, одновременно подключены к одному входу коммутатора, выходы ключей, входы которых подключены ко вторым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, подключены к другому входу коммутатора, вторые входы ключей первой измерительной базы подключены к первому выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей второй измерительной базы подключены ко второму выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей третьей измерительной базы подключены к третьему выходу устройства синхронизации, первый, второй и третий входы логического сумматора подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации, а его выход одновременно подключен к коммутатору и вычислительному устройству.

В отличие от прототипа предлагаемый ультразвуковой измеритель скоростей потока дополнен шестью нагревателями, расположенными по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим электроакустическим преобразователем и подключенные через второй коммутатор к источнику питания и контроллеру температуры, тремя устройствами ИЛИ, устройством управления и вторым счетчиком, выход которого подключен к первому входу устройства управления, ко второму входу которого подключен выход контроллера температуры, а его первый выход подключен к управляющему входу второго коммутатора, второй выход одновременно подключен к установочным входам устройства синхронизации и вычислительного устройства и первым входам всех устройств ИЛИ, причем вторые входы первого и третьего устройств ИЛИ подключены к выходу узла выделения третьего периода синусоиды, выход первого устройства ИЛИ одновременно соединен со вторыми входами первого, третьего и четвертого триггеров, выход третьего устройства ИЛИ подключен к второму входу второго триггера, второй вход второго устройства ИЛИ подключен к выходу первого триггера, а его выход - к второму входу второго счетчика, первый вход которого подключен к выходу третьего компаратора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря введению шести нагревателей, расположенных по два в каждой измерительной базе с непосредственным тепловым контактом со своим электроакустическим преобразователем, второго коммутатора, трех устройств ИЛИ, контроллера температуры, устройства управления, второго счетчика и источника питания обогрева и их взаимодействием с остальными элементами ультразвукового измерителя скоростей потока, обеспечивается расширение температурного диапазона функционирования и повышение надежности и эффективности эксплуатации в сложных метеорологических условиях.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 - изображена функциональная схема ультразвукового измерителя скоростей потока;

на фиг.2 - временные диаграммы взаимодействия узлов стабилизации температурного режима;

на фиг.3 - временные диаграммы взаимодействия узлов в случае обледенения (загрязнения).

Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержит три измерительные базы I, II и III, каждая из которых включает по два обратимых электроакустических преобразователя 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, подключенные через ключи 3_I и 4_I, 3_II и 4_II, 3_III и 4_III и через первый коммутатор 5 к передатчику 6 и приемнику 7 импульсных сигналов, первый компаратор 8, второй компаратор 9, первый триггер 10, узел выделения третьего периода синусоид 11, второй триггер 12, третий триггер 13, последовательно соединенные согласующее устройство 14, третий компаратор 15 и счетчик 16, четвертый триггер 17, ключевое устройство 18, последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра 19, блок деления 20, блок вычитания 21 и вычислительное устройство 22, устройство синхронизации 23, первый выход которого подключен ко вторым входам ключей 3_I и 4_I, второй выход подключен ко вторым входам ключей 3_II и 4_II, а третий выход подключен ко вторым входам ключей 3_III и 4_III, логический сумматор 24, а также шесть обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, расположенных по два в каждой измерительной базе I, II и III, с непосредственным тепловым контактом со своим электроакустическим преобразователем 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, подключенные через второй коммутатор 27 к контролеру температуры 28 и источнику питания 29, устройство управления 30, второй счетчик 31 и первое 32₁, второе 32₂ и третье 32₃ устройства ИЛИ.

Электроакустические преобразователи расположены на одинаковом расстоянии L под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости.

Входы первого компаратора 8 и второго компаратора 9 подключены к первому коммутатору 5, выход первого компаратора 8 подключен к первому входу первого триггера 10, выход второго компаратора 9 подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид 11, выход первого триггера 10 подключен ко второму входу узла выделения третьего периода синусоид 11, выход которого подключен одновременно к вторым входам первого 32₁ и третьего 32₃ устройств ИЛИ, первый вход третьего триггера 13 подключен к коммутатору 5, а выход третьего триггера 13 через ключевое устройство 18 подключен к первому входу второго триггера 12, выход второго триггера 12 подключен к преобразователю временной интервал-цифра 19 и к входу устройства синхронизации 23, выход первого счетчика 16 одновременно подключен к второму входу ключевого устройства 18 и к первому входу четвертого триггера 17, выход которого соединен со вторым входом счетчика 16, а вход согласующего устройства 14 соединен с первым входом третьего триггера 13, первый, второй и третий входы логического сумматора 24 подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации 23, а его выход соединен одновременно с коммутатором 5 и вычислительным устройством 22.

Выход второго счетчика 31 подключен к первому входу устройства управления 30, ко второму входу которого подключен выход контроллера температуры 28, а его первый выход подключен к входу управления коммутатора 27, а второй выход одновременно соединен с установочными дополнительными входами устройства синхронизации 23 и вычислительного устройства 22 и с первыми входами всех устройств ИЛИ 32₁, 32₂ и 32₃, причем выход первого устройства ИЛИ 32₁ одновременно соединен со вторыми входами первого 10, третьего 13 и четвертого 17 триггеров, второй вход второго устройства ИЛИ 32₂ подключен к выходу первого триггера 10, а его выход - к второму входу второго счетчика 31, первый вход которого подключен к выходу третьего компаратора 15, выход третьего устройства ИЛИ 32₃ подключен к второму входу второго триггера 12.

Ультразвуковой измеритель скоростей потока работает следующим образом.

В начале устройство управления 30 со своего второго выхода выдает сигнал U₃₀₂ (см. фиг.2), поступающий на установочные входы вычислительного устройства 22 и устройства синхронизации 23, а через второе устройство ИЛИ 32₂ на второй вход второго счетчика 31, через третье устройство ИЛИ 32₃ на второй вход триггера 12 и через первое устройство ИЛИ 32₁ на вторые входы первого 10, третьего 13 и четвертого 17 триггеров, запрещая начало работы этих устройств.

Одновременно сигналом U₃₀₁ со своего первого выхода устройство управления 30 подключает обогреватели 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III через второй коммутатор 27 к входу контроллера температуры 28, который измеряет сопротивление обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, пропорциональное температуре этих обогревателей. Так как каждый обогреватель 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III имеет непосредственный тепловой контакт со своим электроакустическим преобразователем 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, то измеренная температура пропорциональна (практически равна) температуре этих электроакустических преобразователей. Выходной сигнал U28 контроллера температуры 28, пропорциональный температуре электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, поступает на второй вход устройства управления 30. В зависимости от текущего значения сигнала U28, пропорционального измеренной температуре, устройство управления 30 определяет необходимый режим работы предложенного ультразвукового измерителя.

Если значения текущей температуры соответствует допустимым пределам, т.е. уровень U29≤U_p (см. фиг.2), то устройство управления 30, удерживая второй коммутатор 27 сигналом U₃₀₁ в состоянии измерения температуры обогревателей. 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, прекращает выдачу сигнала U₃₀₂, разрешая работу устройству синхронизации 23, вычислительному устройству 22, первому 10, второму 12, третьему 13 и четвертому 17 триггерам и второму счетчику 31.

При этом начинается цикл измерений, который состоит в следующем.

Устройство синхронизации 23 на своих выходах последовательно, начиная с первого, вырабатывает управляющие сигналы U₂₃₁, U₂₃₂ и U₂₃₃, которые последовательно поступают на 1-й, 2-й и 3-й входы логического сумматора 24 и на вторые входы каждой пары ключей 3_I и 4_I, 3_II и 4_II, 3_III и 4_III, подключая пары электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III соответствующей измерительной базы I, II и III к коммутатору 5.

С выхода логического сумматора 24 сигналы U₂₄, вырабатываемые с той же последовательностью, что и на выходах устройства синхронизации 23, поступают на коммутатор 5 и на вычислительное устройство 22, подготавливая их к измерениям последовательно с каждой измерительной базой I, II и III. При этом длительность сигналов с выходов устройства синхронизации 23 и логического сумматора 24 соответствует длительности цикла работы на излучение и прием в обоих направлениях для каждой измерительной базы I, II и III.

Первый коммутатор 5 в течение разрешающего сигнала U₂₄₁, U₂₄₂ и U₂₄₃ с выхода логического сумматора 24, поочередно подключает передатчик 6 и приемник 7 к электроакустическим преобразователям 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III выбранной измерительной базы I, II или III, обеспечивая работу этих электроакустических преобразователей на излучение и прием в прямом и обратном направлениях.

При этом начало каждого излучаемого импульса U₆ с коммутатора 5 запускает третий триггер 13, сигнал U₁₃ которого поступает на первый вход закрытого ключевого устройства 18.

Одновременно излучаемый импульс U₆ поступает на вход согласующего устройства 14, которое выделяет синусоидальную составляющую импульса генерации U₁₄, поступающую на вход третьего компаратора 15, который имеет порог срабатывания U_n=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального составляющей излучаемого сигнала U₄.

Далее выходные импульсы U₁₅ третьего компаратора 15 одновременно поступают на входы первого счетчика 16, который формирует выходной сигнал U₁₆, соответствующий третьему периоду излучаемого импульса U₆, открывающий ключевое устройство 18, и второго счетчика 31, который начинает подсчет периодов излучаемого сигнала U₆.

Сигнал U₁₃ с выхода третьего триггера 13 через открытое ключевое устройство 18 поступает на первый вход второго триггера 12 и устанавливает его в единичное состояние, начиная формирование сигнала U₁₂ временного интервала прохода ультразвукового сигнала с задержкой на 3 периода излучаемой частоты f_i, i={1,2}.

Одновременно сигнал U₁₆ с выхода счетчика 16 переключает четвертый триггер 17, который своим входным сигналом U₁₇ запрещает работу первого счетчика 16.

Далее принимаемые сигналы U₇ (см. фиг.2) поступают на первый компаратор 8, который имеет порог срабатывания U_n>0 и всегда больше шумового сигнала приемного канала и второго компаратора 9, который имеет порог срабатывания U_n=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала U₇.

Далее с первого компаратора 8 сигналы U₈ поступают на первый триггер 10, сигнал U₁₀ которого поступает на второй вход первого устройства ИЛИ 32₁ и на второй вход узла выделения третьего периода синусоид 11, который пропускает со второго компаратора 9 сигнал U₉, соответствующий третьему периоду принятого ультразвукового сигнала с порогом U_n=0, что обеспечивает высокую точность измерений задержки. Этот сигнал поступает на второй вход третьего устройства ИЛИ 32₃, а с его выхода на вход триггера 12 и возвращает триггер в нулевое состояние.

Сигнал U₁₀ через второе устройство ИЛИ 32₂ поступает на второй вход счетчика 31, устанавливая его в нулевое состояние и запрещая его работу до формирования следующего импульса U₆.

Таким образом, на выходе второго триггера 12 формируется импульс U₁₂, длительность которого определяется только скоростью ветра и скоростью ультразвука и не зависит от его частоты и влияния на нее окружающей среды, что обеспечивает высокую точность измерений.

Одновременно сигнал U₁₁ с выхода узла выделения третьего периода синусоид 11 поступает на второй вход первого устройства ИЛИ 32₁, а с его выхода на вторые входы первого триггера 10, четвертого триггера 17 и третьего триггера 13 и переводит их в исходное состояние до прихода импульса излучения в обратном направлении.

Далее импульс U₁₂ со второго триггера 12 поступает на входы устройства синхронизации 23 и преобразователь временной интервал-цифра 19, в котором длительность U₁₂ преобразуется в цифру, которая через блок деления 20 поступает на блок вычитания 21, где получают разность времени прохождения ультразвука измерительной базы L в цифре между прямым и обратным направлениями. Расстояния L между электроакустическими преобразователями 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III равны.

При этом по спаду каждого второго импульса U₁₂ с выхода второго компаратора 12 устройство синхронизации 23 прекращает выдачу импульса U₂₃₁, U₂₃₂ и u₂₃₃ по соответствующему выходу, длительность которого соответствует времени на прием и передачу туда и обратно в каждой измерительной базе I, II и III, на время Т_зад, необходимое для затухания переходных процессов в устройствах и для записи информации с выхода блока вычитания 21 в вычислительное устройство 22.

По окончании времени T_зад (см. фиг.2) устройство синхронизации 23 вырабатывает на своем следующем выходе управляющий сигнал U_23i, где i=1, 2, 3, который подключает следующую измерительную базу I, II и III к коммутатору 5, повторяя описанный ранее процесс измерения разности скорости ультразвука в соответствующей базе.

Так как значение скорости звука в воздухе за время измерения не меняется, то при вычитании она исключается. Результирующая разность скорости определяется только ветровым сносом импульсных ультразвуковых сигналов в измерительных базах I, II и III и не зависит от значений температуры, относительной влажности и атмосферного давления.

Далее разность скорости, полученная в каждой измерительной базе I, II и III с блока вычитания 21, последовательно поступает на вычислительное устройство 22.

Электроакустические преобразователи попарно 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III образуют три измерительные базы, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом (30-60)° в вертикальной плоскости, что позволяет в вычислительном устройстве 22 вычислять горизонтальную скорость и направление ветра, а также вертикальную компоненту скорости ветра по измеренным значениям скорости вдоль каждой из измерительных баз.

В случае, когда температура обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, а следовательно, и электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, будет ниже допустимого уровня, устройство управления 30, не снимая своего запрещающего сигнала U₃₀₂, со второго выхода, начинает периодически подключать обогреватели 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, через коммутатор 27 то к источнику питания 29, нагревая их, то к контроллеру температуры 28 для контроля текущей температуры обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, и, следовательно, связанных с ними тепловыми контактами соответствующих электроакустических преобразователей.

Таким образом, сигнал U₃₀₂ (см. фиг.2), запрещающий работу устройства синхронизации 23, вычислительного устройства 22, второго счетчика 31 и первого 10, третьего 13 и четвертого 17 триггеров, будет вырабатываться до достижения текущей температуры обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III, а значит и электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III допустимых значений.

Таким образом, стабилизируется температурный режим работы электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, поддерживающий уровни параметров электроакустических преобразователей в заданных пределах, что предотвращает возможные сбои (пропуски) измерений, которые имели место в известном устройстве при изменении температуры окружающей среды. Это отличие от прототипа значительно повышает надежность и расширяет температурный диапазон функционирования по сравнению с известным устройством.

Кроме того, постоянный контроль и управление температурой функционирования электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, существенно снижает вероятность обледенения на элементах конструкции измерительной базы, где установлены эти преобразователи, что дополнительно улучшает эксплуатационные характеристики предлагаемого устройства. Однако в сложных метеорологических условиях (сильный снегопад и длительный дождь) возможно образование ледяной корки на узлах конструкции, где вмонтированы электроакустические преобразователи.

В этом случае в начале цикла измерений в любой измерительной базе I, II и III, где это обледенение возникло, предлагаемое устройство будет продолжать функционирование следующим образом.

Устройство синхронизации 23 на своих выходах последовательно, начиная с первого, вырабатывает управляющие сигналы U₂₃₁, U₂₃₂ и U₂₃₃ (см. фиг.3), которые последовательно поступают на 1-й, 2-й и 3-й входы логического сумматора 24 и на вторые входы каждой пары ключей 3_I и 4_I, 3_II и 4_II, 3_III и 4_III, подключая пары электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III соответствующей измерительной базы I, II и III к коммутатору 5.

С выхода логического сумматора 24 сигналы U₂₄, вырабатываемые с той же последовательностью, что и на выходах устройства синхронизации 23, поступают на коммутатор 5 и на вычислительное устройство 22, подготавливая их к измерениям последовательно с каждой измерительной базой I, II и III. При этом длительность сигналов с выходов устройства синхронизации 23 и логического сумматора 24 соответствует длительности цикла работы на излучение и прием в обоих направлениях для каждой измерительной базы I, II и III.

Первый коммутатор 5 в течение разрешающего сигнала U₂₄₁, U₂₄₂ и U₂₄₃ с выхода логического сумматора 24, поочередно подключает передатчик 6 и приемник 7 к электроакустическим преобразователям 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III выбранной измерительной базы I, II или III, обеспечивая работу этих электроакустических преобразователей на излучение и прием в прямом и обратном направлениях.

При этом начало каждого излучаемого импульса U₆ с коммутатора 5 запускает третий триггер 13, сигнал U₁₃ которого поступает на первый вход закрытого ключевого устройства 18.

Одновременно излучаемый импульс U₆ поступает на вход согласующего устройства 14, которое выделяет синусоидальную составляющую импульса генерации U₁₄, поступающую на вход третьего компаратора 15, который имеет порог срабатывания U_n=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода синусоидального составляющей излучаемого сигнала U₄.

Далее выходные импульсы U₁₅ третьего компаратора 15 одновременно поступают на входы первого счетчика 16, который формирует выходной сигнал U₁₆, соответствующий третьему периоду излучаемого импульса U₆, открывающий ключевое устройство 18, и второго счетчика 31, который начинает подсчет периодов излучаемого сигнала U₆.

Сигнал U₁₃ с выхода третьего триггера 13 через открытое ключевое устройство 18 поступает на первый вход второго триггера 12 и устанавливает его в единичное состояние, начиная формирование сигнала U₁₂ временного интервала прохода ультразвукового сигнала с задержкой на 3 периода излучаемой частоты f_i, i={1,2}.

Одновременно сигнал U₁₆ с выхода счетчика 16 переключает четвертый триггер 17, который своим входным сигналом U₁₇ запрещает работу первого счетчика 16.

Далее принимаемые сигналы U₇ (см. фиг.3) поступают на первый компаратор 8, который имеет порог срабатывания U_n>0 и всегда больше шумового сигнала приемного канала, и второй компаратор 9, который имеет порог срабатывания U_n=0, что обеспечивает точную фиксацию начала периода принимаемого синусоидального сигнала U₇.

Однако в случае обледенения уровень принимаемого сигнала U₇ будет значительно меньше порогового уровня U_n первого компаратора 8, который, с учетом ранее указанных технологических причин, был установлен достаточно высоким для устранения ложных срабатываний. При этом выходной сигнал U₈ с компаратора 8 будет отсутствовать и срабатывания первого триггера 10 не произойдет. В результате на его выходе и, следовательно, на выходе второго устройства ИЛИ 32₂ будет отсутствовать сигнал, запрещающий работу второго счетчика 31, который будет продолжать подсчет числа периодов излучаемого импульса U₆.

Когда число превышает пороговое значение N_n, второй счетчик 31 на выходе сформирует сигнал U31 (см. фиг.3). Пороговое число периодов N_n пропорционально максимальному ожидаемому времени появления первой полуволны принимаемого сигнала U₇ и определяется соотношением

$$N_n=\frac{L_{б}{f}_{зв}}{V_{зв\min }-V_u}$$ , где

L_б - длина измерительной базы,

V_{зв min} - минимальная скорость звука в воздухе,

V_u - максимальная скорость ветра, измеренная вдоль оси измерительной базы,

f_зв - частота ультразвукового сигнала.

Выходной сигнал U₃₁ второго счетчика 31 поступает на 1-й вход устройства управления 30, который на своем втором выходе вырабатывает сигнал U₃₀₂, поступающий на установочные входы устройства синхронизации 23 и вычислительной устройство 22, а через первое 32₁, второе 32₂ и третье 32₃ устройства ИЛИ соответственно на вторые входы первого 10, второго 13 и четвертого 17 триггеров и второго счетчика 31, устанавливая их в исходное состояние и блокируя их работу на время действия сигнала U₃₀₂.

Одновременно устройство управления 30 переходит в режим форсированного обогрева электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III, подключая обогреватели 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III к источнику питания 28 через коммутатор 27 на более длительные периоды времени (см. фиг.3), повышая температуру обогревателей 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III до максимально допустимой для электроакустических преобразователей 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III (или материалов конструкции, например герметиков и т.д.) проводя контроль текущей температуры и поддерживая эту температуру в течение времени, определяемого опытным путем (в зависимости от мощности обогревателей, допустимой максимальной температуры и массогабаритных характеристик конструкции, где устанавливаются электроакустические преобразователи 1_I и 2_I, 1_II и 2_II, 1_III и 2_III).

По завершению 1-го цикла форсированного режима обогрева устройство управления 30 подключает сигналом U₃₀₁ обогреватели 25_I и 26_I, 25_II и 26_II, 25_III и 26_III через коммутатор 27 к входу контроллера температуры 28, и снимает со своего второго выхода сигнал U₃₀₂, разрешая начало цикла измерения, который, как это было описано ранее, начинается с формирования сигналов на выходе устройства синхронизации 23 (см. фиг.3).

Если первый цикл форсированного режима обогрева обеспечил устранение обледенения на элементах конструкции всех измерительных баз, то процесс измерения будет проведен в полном объеме для всех измерительных баз I, II и III, как это было описано ранее (см. фиг.2), так как уровень принимаемого сигнала U₇ будет превышать порог срабатывания первого компаратора U₈ соответственно и первого триггера 10. Выходной сигнал U₁₀ первого триггера 10, поступая через второе устройство ИЛИ на второй вход второго счетчика 31, запрещает его работу и устанавливает его в нулевое состояние, предотвращая формирование на его выходе сигнала U₃₁, который переводит работу устройства управления 30 в режим форсированного обогрева.

Если же устранение обледенения не произошло хотя бы в одной из измерительных баз I, II и III, то, как отмечалось ранее, уровень сигнала U₇ в цикле измерений в этой измерительной базе будет меньше порога срабатывания первого компаратора 8, и сигнал на его выходе, а также на выходе первого триггера 10 будет отсутствовать.

В результате второй счетчик 31 будет продолжать подсчет числа периодов импульса генерации U₆ до порогового значения N_n.

Поэтому на выходе второго счетчика 31 сформируется сигнал U₃₁, поступающий на вход устройства управления 30, которое начнет проводить следующий цикл форсированного обогрева электроакустических преобразователей, описанный ранее (см. фиг.3). Если число форсированных режимов в процессе ликвидации обледенения превысило более 5, то вычислительное устройство 22 на своем выходе вместо нулевой информации выдаст сигнал неисправности, поступающий на диспетчерский пункт и позволяющий принять соответствующие меры к восстановлению нормальной работы предлагаемого устройства при минимальных потерях времени.

Следует отметить, что такая аварийная ситуация может возникнуть также за счет загрязнения или налипания предметов (например, листьев) на рабочую поверхность электроакустических преобразователей.

Однако вышеописанные особенности алгоритма работы предлагаемого устройства позволяют в кратчайшее время выявить и принять меры к устранению подобных ситуаций, что было невозможно при эксплуатации известного устройства.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить не только повышение надежности и расширение температурного диапазона функционирования, но и повысить эффективность его эксплуатации за счет адаптации алгоритма функционирования в сложных метеоусловиях, обеспечиваемого вновь введенными шестью обогревателями, по два в каждой измерительной базе, и имеющих непосредственный тепловой контакт с соответствующими электроакустическими преобразователями второго коммутатора, контроллера температуры, источника питания, устройства управления, второго счетчика и трех устройств ИЛИ и их взаимодействиям с остальными узлами предлагаемого изобретения, чем достигается повышение безопасности взлета и посадки воздушных судов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент на изобретение №2030749, МПК: ⁶G01P 5/01, 1995 г.

2. Российская Федерация, заявка на изобретение №93049075/28, МПК: ⁶G01P 5/01, 1996 г.

3. Российская Федерация, патент на изобретение №2093835, МПК: ⁶G01P 5/01, 1997 г.

4. Российская Федерация, патент на полезную модель №44391, МПК: ⁷G01P 5/01, 2005 г.

5. Российская Федерация, авторское свидетельство на изобретение №1081544, МПК: G01P 5/00, G01F 1/66, 1984 г.

6. Российская Федерация, патент на полезную модель №77975, МПК: ⁷G01P 5/01, 2008 г.

7. Российская Федерация, патент на полезную модель №83620, МПК: ⁷G01P 5/01, 10.06.2009 г.

8. Российская Федерация, патент на полезную модель №108631, МПК: G01P 5/01, 20.09.2011 г.

9. Российская Федерация, патент на полезную модель №113012, МПК: G01P 5/00, 27.01.2012 г. - прототип.

Использование: в приборостроении, а именно, в технике измерения параметров ветра, в частности для измерения горизонтальных скоростей и направления ветра, для вертикальной компоненты скорости ветра, а также в аэропортах для обеспечения безопасности полетов воздушных судов. Ультразвуковой измеритель скоростей потока дополнен шестью нагревателями, расположенными по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим электроакустическим преобразователем и подключенные через второй коммутатор к источнику питания и контроллеру температуры, также тремя устройствами ИЛИ, устройством управления и вторым счетчиком, выход которого подключен к первому входу устройства управления, ко второму входу которого подключен выход контроллера температуры, а его первый выход подключен к управляющему входу второго коммутатора, при этом второй выход одновременно соединен с установочными (дополнительными) входами устройства синхронизации и вычислительного устройства и первыми входами трех устройств ИЛИ, причем вторые входы первого и третьего устройств ИЛИ подключены к выходу узла выделения третьего периода синусоиды, выход первого устройства ИЛИ одновременно соединен со вторыми входами первого, третьего и четвертого триггеров, выход третьего устройства ИЛИ подключен к второму входу второго триггера, второй вход второго устройства ИЛИ подключен к выходу первого триггера, а его выход - к второму входу второго счетчика, первый вход которого подключен к выходу третьего компаратора. Технический результат - повышение надежности и расширение температурного диапазона функционирования. 3 ил.

Ультразвуковой измеритель скоростей потока, содержащий три измерительные базы, включающие по два обратимых электроакустических преобразователя, расположенные под углом 120° относительно друг друга и под углом 30-60° в вертикальной плоскости, а также коммутатор, к которому подключены передатчик и приемник импульсных сигналов, три компаратора, четыре триггера, узел выделения третьего периода синусоид, согласующее устройство, счетчик, ключевое устройство и последовательно соединенные преобразователь временной интервал-цифра, блок деления, блок вычитания и вычислительное устройство, а также устройство синхронизации, логический сумматор и шесть ключей, по два в каждой измерительной базе, при этом выход согласующего устройства подключен к входу третьего компаратора, выход которого подключен к первому входу счетчика, выход счетчика одновременно соединен со вторым входом ключевого устройства и с первым входом четвертого триггера, выход которого подключен ко второму входу счетчика, входы первого и второго компараторов подключены к коммутатору, выход первого компаратора подключен к первому входу первого триггера, выход второго компаратора подключен к первому входу узла выделения третьего периода синусоид, выход первого триггера подключен к второму входу узла выделения третьего периода синусоид, первый вход третьего триггера подключен к коммутатору, выход третьего триггера подключен к первому входу ключевого устройства, выход которого подключен к первому входу второго триггера, а выход второго триггера подключен к преобразователю временной интервал-цифра и к устройству синхронизации, при этом первый вход каждого ключа соединен с выходом соответствующего электроакустического преобразователя своей измерительной базы, выходы ключей, входы которых подключены к первым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, одновременно подключены к одному входу коммутатора, выходы ключей, входы которых подключены ко вторым электроакустическим преобразователям каждой измерительной базы, подключены к другому входу коммутатора, вторые входы ключей первой измерительной базы подключены к первому выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей второй измерительной базы подключены ко второму выходу устройства синхронизации, вторые входы ключей третьей измерительной базы подключены к третьему выходу устройства синхронизации, первый, второй и третий входы логического сумматора подключены к соответствующим выходам устройства синхронизации, а его выход одновременно подключен к коммутатору и вычислительному устройству, отличающийся тем, что он дополнен шестью нагревателями, расположенными по два в каждой измерительной базе, имеющих непосредственный тепловой контакт со своим электроакустическим преобразователем и подключенные через второй коммутатор к источнику питания и контроллеру температуры, также тремя устройствами ИЛИ, устройством управления и вторым счетчиком, выход которого подключен к первому входу устройства управления, ко второму входу которого подключен выход контроллера температуры, а его первый выход подключен к управляющему входу второго коммутатора, при этом второй выход одновременно соединен с установочными входами устройства синхронизации и вычислительного устройства и первыми входами всех устройств ИЛИ, причем вторые входы первого и третьего устройств ИЛИ подключены к выходу узла выделения третьего периода синусоиды, выход первого устройства ИЛИ одновременно соединен со вторыми входами первого, третьего и четвертого триггеров, выход третьего устройства ИЛИ подключен к второму входу второго триггера, второй вход второго устройства ИЛИ подключен к выходу первого триггера, а его выход - к второму входу второго счетчика, первый вход которого подключен к выходу третьего компаратора.