Анемометр-термометр ультразвуковой и способ компенсации искажений воздушного потока, вносимых каркасом анемометра-термометра Российский патент 2023 года по МПК G01W1/02 G01P5/01 G01P5/24 

Группа изобретений относится к области измерительной техники, а именно к способам определения скорости и направления перемещения воздушного потока в трехмерном пространстве, а также температуры окружающей среды, и предназначенным для этого устройствам.

Из уровня техники известен анемометр, содержащий ультразвуковые излучатели, расположенные на каркасе, выполненном из двух колец, расположенных во взаимно ортогональных плоскостях. На каждом кольце закреплены четыре пьезоэлектрических преобразователя с пересечением осей симметрии в центре колец (АМК-03 МАЯ2.702.089-12). Основным недостатком данной конструкции является наличие зоны турбулентности, расположенной около каркаса устройства, распространяющейся по направлению воздушного потока. Турбулентные вихри вносят искажение в результат измерения в случае, когда вектор скорости ветра направлен параллельно плоскости кольца.

Известен ультразвуковой анемометр, содержащий пьезоэлектрические преобразователи, закрепленные на каркасе в вершинах основания и вершине треугольной пирамиды с основанием в виде равностороннего треугольника (патент RU 2675418 С1, дата публикации 19.12.2018 г.). Ось пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине треугольной пирамиды, направлена в центр основания треугольной пирамиды, а оси преобразователей, закрепленных в вершинах основания треугольной пирамиды, направлены в сторону пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного в вершине треугольной пирамиды. Недостатком данного изобретения является наличие зоны турбулентности, возникающей при обтекании воздушным потоком держателя пьезоизлучателя, расположенного в вершине треугольной пирамиды, и низкая степень надежности, так как выход из строя излучателя, расположенного в вершине треугольной пирамиды, приводит к выходу из строя всего изделия.

Известен Ультразвуковой 3D-анемометр USA-1/T (компания «METEK GmbH», Германия), состоящий из механической конструкции, поддерживающей в пространстве три пары акустически согласованных электроакустических преобразователей (ЭАП), и электронных блоков, осуществляющих генерацию управляющих электрических импульсов, вычисление и индикацию горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра. В данном устройстве шесть попарно акустически согласованных ЭАП закреплены с помощью консолей на центральной стойке таким образом, что они образуют три акустически согласованные пары, причем геометрически эти ЭАП размещены в вершинах воображаемой трехгранной призмы, вертикальная ось симметрии которой совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси расположены таким образом, что вертикальная ось симметрии куба совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси попарно согласованных электроакустических преобразователей проходят по диагоналям боковых граней этого куба и не имеют точек пересечения между собой. Недостатком данного устройства является возникновение дополнительной ошибки измерений, обусловленной искажением измеряемого ветрового потока центральной стойкой, которая, при любом направлении горизонтального ветра, частично затеняет одну или две из акустических осей ЭАП, составляющих область измерения компонент скорости ветра, что приводит к погрешности измерений, в особенности при наличии сильного ветра.

Наиболее близким по технической сущности к заявленной группе изобретений является ультразвуковой 3D-анемометр (патент RU 2699939 C1, дата публикации 11.09.2019 г.), состоящий из блока генерации управляющих электрических импульсов, электронного вычислительного устройства, блока индикации параметров ветра и механической конструкции, поддерживающей в пространстве электроакустические преобразователи. В состав устройства также входит блок селекции управляющих импульсов, блок селекции ошибки измерений и дополнительная пара акустически согласованных ЭАП, расположенных таким образом, что выход блока генерации управляющих электрических импульсов соединен с входом блока селекции управляющих импульсов, выходы которого подключены к входам ЭАП, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам электронного вычислительного устройства, подключенного к входу блока селекции ошибки измерений, выход которого подключен к блоку индикации параметров ветра. Конструкция несущей арматуры электроакустических преобразователей представляет собой центральную стойку с консолями, на которых закреплены восемь электроакустических преобразователей, образующих четыре акустически согласованные пары. Электроакустические преобразователи размещены в вершинах воображаемого куба таким образом, что вертикальная ось симметрии куба совпадает с осью центральной стойки, а акустические оси попарно согласованных электроакустических преобразователей проходят по диагоналям боковых граней этого куба и не имеют точек пересечения между собой.

Изобретение RU 2699939 C1, также, содержит описание способа компенсации искажений, вносимых центральной стойкой каркаса устройства. Способ реализован блоками селекции управляющих импульсов и селекции ошибки измерения и заключается в формировании трех групп управляющих импульсов, каждая из которых активирует последовательно три пары ЭАП. Измеряя время прохождения ультразвукового сигнала в каждой паре каждой группы ЭАП, авторы вычисляют три величины одного и того же вектора скорости ветра. При этом в одном из трех актов измерений одна из величин вектора скорости ветра будет иметь искажения, а две другие - не будут. Блок селекции ошибки измерений находит вектор, имеющий искажения, и отбрасывает недостоверную величину.

К недостаткам прототипа относится избыточность актов измерения времени прохождения ультразвуковой волны в среде: блок селекции управляющих импульсов в ряде случаев может активировать один и тот же ЭАП в одном сеансе измерения. Это происходит из-за того, что оси четырех акустически согласованных пар ЭАП образуют четыре базиса из трех векторов, а компоненты каждого базиса авторы измеряют отдельно. Вторым недостатком является вероятностный характер направления и величины затенения, что затрудняет алгоритм селекции ошибки измерений. Кроме того, при направлении ветра, параллельном одному из держателей ЭАП, затененными оказываются два тракта распространения волны, что делает селекцию ошибок измерений невозможной.

Так как зоны турбулентности искажают скорость движения обдувающего потока, то их сокращение позволяет снизить влияние на результаты проведения измерений. Кроме того, турбулентные вихри, возникающие при обтекании элементов конструкции устройства (в том числе каркаса), сами по себе являются источниками ультразвуковых волн [1], что вносит дополнительные проблемы при обработке результатов измерений.

Технической проблемой, на решение которой направлено создание заявленной группы изобретений является уменьшение погрешности измерений скорости и направления перемещения воздушного потока и температуры окружающей среды, возникающей вследствие образования зон турбулентности при обтекании обдувающим потоком элементов конструкции устройства, а также устранение недостатков, обнаруженных в устройстве-прототипе.

Техническим результатом заявляемой группы изобретений является повышение точности результатов измерений скорости, направления и температуры обдувающего потока.

Технический результат достигается за счет сокращения зон турбулентности при обтекании обдувающим потоком элементов конструкции устройства. В заявленном на регистрацию в качестве изобретения устройстве используется восемь ультразвуковых приемопередатчиков (УЗПП), среди которых всегда можно выбрать комбинацию, в которой зона турбулентности минимальна.

Сущность изобретения в отношении заявляемого устройства заключается в том, что анемометр-термометр ультразвуковой содержит УЗПП, блок управления и расчета, формирователь сигналов, причем УЗПП в количестве восьми штук установлены в вершинах воображаемой антипризмы на концах взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, закрепленных в кронштейнах каркаса устройства на двух уровнях, соединенные центральной стойкой, причем УЗПП нижней грани антипризмы установлены мембраной вверх, а УЗПП верхней грани антипризмы установлены мембраной вниз.

Сущность изобретения в отношении заявляемого способа заключается в том, что способ компенсации искажений воздушного потока, вносимых каркасом анемометра-термометра ультразвукового, заключается в выборе комбинации незатененных УЗПП, причем сначала выполняют предварительную оценку вектора скорости ветра на основе результатов измерений всех УЗПП, затем определяют направление затенения, после чего, из комбинации ультразвуковых приемопередатчиков исключают данные, передаваемые ультразвуковыми приемопередатчиками, находящимися в зоне затенения, производят расчет окончательного значения вектора скорости ветра и температуры воздуха.

Предлагаемая группа изобретений поясняется следующими чертежами:

- фиг. 1 - схема расположения УЗПП в каркасе анемометра-термометра ультразвукового;

- фиг. 2 - общий вид анемометра-термометра ультразвукового;

- фиг. 3 - вид сверху с указанием направления потока обдувающей струи.

- фиг 4 - структурная схема устройства.

Конструкция заявленного устройства состоит из каркаса, в котором располагаются по предлагаемой схеме восемь ультразвуковых приемопередатчиков (УЗПП) 1 (фиг. 1). Каркас устройства представляет собой конструкцию, состоящую из центральной стойки 2, четырех кронштейнов верхнего уровня 3 и четырех кронштейнов нижнего уровня 4. Каркас изготовлен таким образом, что УЗПП 1 располагаются в пространстве при помощи кронштейнов в вершинах 3 воображаемой антипризмы, верхняя грань которой расположена в верхней части каркаса устройства, таким образом, что УЗПП 1 расположены в ней в четырех перпендикулярных направлениях и равноудалены от стойки каркаса 2. Мембраны УЗПП 1, расположенных в плоскости верхней части каркаса устройства, в отличие от устройства-прототипа, направлены вертикально вниз. Нижняя грань антипризмы расположена в нижней части каркаса устройства, таким образом, что УЗПП расположены в ней в четырех перпендикулярных направлениях и равноудалены от стойки каркаса 2 и повернуты относительно положения УЗПП верхней части каркаса на 45°. Мембраны УЗПП 1, расположенных в плоскости нижней части каркаса устройства, в отличие от устройства-прототипа, направлены вверх. Передача сигнала между УЗПП проходит по трактам 5. Применение УЗПП 1 с широкой диаграммой направленности позволяет сразу двум УЗПП принимать и регистрировать ультразвуковую волну, излучаемую противоположным УЗПП. Блок управления и расчета 6 и формирователь сигналов 7 расположены отдельно выше каркаса с ультразвуковыми приемопередатчиками и закреплены с центральной стойкой 2 опорой крепления (консолью).

Группа изобретений осуществляется следующим образом.

Каждый из восьми УЗПП может работать попеременно в режиме передатчика и в режиме приемника, при этом выбор режима работы осуществляется блоком управления и расчета. В данной конструкции устройства имеется восемь трактов распространения ультразвуковой волны, причем по каждому тракту волна может проходить как в прямом, так и в обратном направлении. В каждый момент времени только один УЗПП может являться излучателем, при этом, в отличие от устройства-прототипа, приемниками являются два соседние с ним УЗПП (ближайшие УЗПП, расположенные на противоположном конце каркаса устройства). Применение УЗПП с широкой диаграммой направленности позволяет излучаемой ультразвуковой волне достичь обоих соседних УЗПП.

При обдуве устройства воздушным потоком основным элементом конструкции, вносящим искажения в рабочую область, является центральная стойка каркаса. Основная часть зоны турбулентности расположена со стороны, противоположной направлению обдувающего потока. С целью минимизации влияния зоны турбулентности на результат измерения скорости и направления воздушного потока и температуры окружающей среды, измерение состоит из трех этапов.

На первом этапе блок управления и расчета поочередно включает каждый из УЗПП в режиме передатчика, при этом, в отличие от устройства-прототипа, каждый УЗПП включается в одном акте измерения только один раз. Формирователь сигнала генерирует электрический сигнал и посылает его выбранному УЗПП, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Два соседних с ним УЗПП принимают сигнал и передают его на блок управления и расчета. Блок управления и расчета принимает сигнал, поступивший от каждой пары «излучатель-приемник», измеряет время прохождения ультразвуковой волны в среде и вычисляет предварительную оценку вектора скорости ветра с использованием всех восьми осей.

На втором этапе происходит выбор комбинации УЗПП, используемой для определения измеряемых параметров. В комбинацию включают те пары «излучатель-приемник», в тракте распространения волны которых зона турбулентности минимальна. В общем случае исключают пары «излучатель-приемник», тракт распространения волны которых проходит в зоне влияния центральной стойки. В особых случаях, когда вектор скорости ветра, определенный по предварительной оценке, направлен параллельно любой из осей конструкции, из комбинации исключают сразу две пары «излучатель-приемник» (три УЗПП): один УЗПП, находящийся на затененной оси, и два УЗПП, являющиеся соседними с ним и расположенные на противоположной стороне каркаса устройства.

На третьем этапе блок управления и расчета определяет окончательное значение вектора скорости ветра на основе данных, полученных с выбранной комбинации УЗПП. Повторный сеанс излучения-приема при этом не проводится в целях повышения энергоэффективности.

Полученные данные позволяют также определить температуру среды распространения ультразвукового сигнала, которая прямо пропорциональна квадрату скорости звука [1]. Тогда значение температуры может быть рассчитано со всеми преимуществами, которые дает настоящее изобретение.

Список литературы:

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т.Т. VI. Гидродинамика. - 5-е изд, стереот.- М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 736 с.

Группа изобретений предназначена для определения параметров воздушного потока (скорости и направления) и температуры окружающей среды. Сущность: устройство содержит восемь ультразвуковых приемопередатчиков (1), блок управления и расчета, формирователь сигналов. Приемопередатчики (1) установлены в вершинах воображаемой антипризмы на концах взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, закрепленных в кронштейнах (3) каркаса на двух уровнях: верхнем и нижнем. Кронштейны (3) соединены центральной стойкой (2). При этом приемопередатчики (1) нижнего уровня установлены мембраной вверх, а приемопередатчики верхнего уровня – мембраной вниз. Выполняют предварительную оценку вектора скорости ветра на основе результатов измерений всех ультразвуковых приемопередатчиков. Определяют направление затенения. Из комбинации ультразвуковых приемопередатчиков исключают данные, передаваемые теми приемопередатчиками, которые находятся в зоне затенения. Рассчитывают окончательное значение вектора скорости ветра и температуры воздуха. Технический результат: повышение точности измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Анемометр-термометр ультразвуковой, содержащий ультразвуковые приемопередатчики, блок управления и расчета, формирователь сигналов, отличающийся тем, что ультразвуковые приемопередатчики в количестве восьми штук установлены в вершинах воображаемой антипризмы на концах взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, закрепленных в кронштейнах каркаса устройства на двух уровнях, соединенных центральной стойкой, причем ультразвуковые приемопередатчики нижней грани антипризмы установлены мембраной вверх, а ультразвуковые приемопередатчики верхней грани антипризмы установлены мембраной вниз.

2. Анемометр-термометр ультразвуковой по п.1, отличающийся тем, что блок управления и расчета и формирователь сигналов расположены выше каркаса с ультразвуковыми приемопередатчиками и закреплены на опоре с центральной стойкой.

3. Способ компенсации искажений воздушного потока, вносимых каркасом анемометра-термометра по п.1, заключающийся в выборе комбинации незатененных ультразвуковых приемопередатчиков, отличающийся тем, что сначала выполняют предварительную оценку вектора скорости ветра на основе результатов измерений всех ультразвуковых приемопередатчиков, затем определяют направление затенения и после чего из комбинации ультразвуковых приемопередатчиков исключают данные, передаваемые ультразвуковыми приемопередатчиками, находящимися в зоне затенения, производят расчет окончательного значения вектора скорости ветра и температуры воздуха.