Измеритель горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра Советский патент 1987 года по МПК G01P5/12 

Изобрете ме относятся к контрольно-измерительной технике, в частности к гидрометеорологическим приборам и может быть использовано для синхронного измерения быстроменяющихся горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, преимущественно, над морской поверхностью.

Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапа- зона измерения вертикальной компоненты скорости ветра.

На фиг. 1 изображена- функциональная схема предлагаемого измерителя; на фиг, 2 - схема пропорционально- дифференцирующего звена с управляемой частотой среза.

Измеритель содержит насадок (не показан) с двумя расположенными под углом друг к другу нитями, размещен- ный на стреле легкой флюгарки. Насадок ориентирован таким образом, чтобы плоскость нижней занимала вертикальное положение и совпадала с направлением горизонтальной компоненты скорости ветра. Совместно с двумя дополнительными резисторами нити насадка образуют мост I . Термоанемометр 2 постоянной температуры подключен к питающей диагонали моста 1 и входу линеаризатора 3, состоящего из последовательно соединенных квадратора 4, схемы 5 вычитания постоянной величины и схемы 6 возведения в степень. Входы дифференциального усили- т«ля 7 соединены с измерительной диагональю моста 1. С выхода дифференциального усилителя 7 сигнал подается на первый множительный вход перемножителя-делителя 8, другой мно жительный вход которого соединен с питающей диагональю моста 1, а на делительный вход поступает напряжение с выхода схемы 5 вычитания. Выход перемножителя-делителя 8 подключен к информационному входу пропорционально-дифференцирующего звена 9, управляющий вход которого соединен с выходом квадратора 4. Входы перемножителя 10 соединены с выходами схемы 6 возведения в степень и пропорционально-дифференцирующего звена 9 соответственно.

Пропорционально-дифференцирующее звено 9 состоит из дифференциального усилителя II, перемножителя 42 напряжения, инвертирующего операционного усилителя 13, резистора 14 и конденсатора 15, Прямой вход диффе5

O

5

0 ЗО 35 0 45 0

5

ренциального усилителя 11 соединен с первым выводом конденсатора 15, инвертирующий вход - с выходом инвертирующего операционного усилителя 13 и первым входом перемножителя 12 напряжений. Второй вывод конденсатора 15 соединен с входом инвертирующего операционного усилителя 13 и первым выводом резистора 14, второй которого соединен с выходом перемножителя 12 напряжений. Второй вход перемйожителя 12 напряжений является управляющим входом, прямой вход дифференциального усилителя 11 - информационным входом, а выход дифференциального усилителя 11 - выходом пропорционально-дифференцирующего звена 9,

Измеритель работает следующим образом.

Уравнение баланса знергии между одной из нитей насадка, подогреваемой током I и окружающим воздухом в статическом случае имеет вид

,-T,)h; (R,-RO, ); R.rRo,.Ro, (T,-Tj.

где R и Rjj, - сопротивления выбранной нити при рабочей температуре , И температуре 1 окружающего воздуха соответственно;

h - коэффициент теплоотдачи нити (h h,/,R),

Для второй нити справедливо уравнение

IH (К,., )«

Коэффициенты h и hj определяются из уточненного уравнения Кинга

h A,+A,Veff/ ; l A,-hA,Veff; ,

где (n s;2.2)

A, A, A,j и A - постоянные величины;

Veff и Veff - зффективные скорости для первой и второй нити насадка соответственно,

В связи с тем, что рабочие характеристики нитей приблизительно одинаковы, т,е.

А к А. и А

5

Пп ,

h, A,+A,Veff h A,M,Veff

и поскольку нити насадка между собой угол р, то

Veff,Vcos(J -cL), а Veffj Vcos(| +d.),

где dL - угол между вектором скорости ветра и горизонтальной плоскостью.

Термоанемометр 2 постоянной температуры поддерживает суммарное сопротивление нитей постоянными, т.е.

K R rConst .

где (п К2.2);

R - полусумма сопротивлений нитей в рабочем режимеj

R - полусумма сопротивлений нитей при температуре окружающего воздуха; г - отклонение сопротивления одной из нитей насадка от ее сопротивления при . Анализ полного решения этой систе 1« относительно питающего тока 1 1 (V,uL) и (V,d-) показывает, что при углах между вектором скорости ветра и горизонтальной плоскостью, не превьшаюших , и угла f между нитями насадка, установленном в диапазоне от 65 до 124°, их значения с погрешностью меньше 5% аппроксимируются соотношениями

W

JB,+B, (CVcosdL) ;

с,(й t.

w

где В, , S, ( p)

и Cj (ft) некоторые постоянные.

В практических приложениях предлагаемого измерителя эти соотношения

12969474

справедливы, так как угол между вектором скорости и горизонтальной п.пос- костью почти никогда, особенно над поверхностью моря, не превышает . , Таким образом, напряжение Е , на питающей диагонали моста, образованного нитями насадка и дополнительными резисторами, пропорциональное току

нитeй I, равно (р) Vcosd) (B,j, В(Э) постоянные величины).

Напряжение питающей диагонали моста подается на вход линеаризато- ра, выходное напряжение U го связано с

em которо- входной функцией

Вых

где Е

(Е. Е У

см

см

- напряжение сдвига лине- аризатора.

Таким образом, на выходе линеари- затора при соответственно подобранном напряжении сдвига, действует напряжение, прямо пропорциональное величине горизонтальной компонен- ты скорости.

Частота среза амплитудно-частотной характеристики измерителя по тракту горизонтальной компоненты скорости достаточно высока, так как для него нити насадка работают в режиме термоанемометра постоянной температуры. Напряжение Е на измерительной диагонали моста, сбалансированного при совпадении вектора скорости ветра с горизонтальным направлением (), а при медленных изменениях вертикальной компоненты скорости ветра

равно 1 г

и пропорционально В высокочастотной .

(VcosoLyl

tgci,

части исходного спектра изменений вертикальной компоненты скорости ветра необходимо учитывать завал амплитудно-частотной характеристики, вызванный тем, что по питающему току нити насадка включены последовательно, т.е. работают при измерении величины вертикальной компоненты скорости ветра в режиме термоанемометра постоянного тока с постоянной времени

.

существенно большей экви

валентной постоянной времени в режиме термоанемометра постоянной температуры. Б результате напряжение на измерительной диагонали моста описывается

1

соо т нош ени ем

„ (Vcosci)

I.

+ t,

где р- параметр Лапласа;

Т - обратно пропорционально квадрату напряжения на питающей диагонали моста.

После предварительного усиления, осуществляемого дифференциальным усилителем 7, это напряжение поступает на множительный вход перемножителя- делителя 8, другой множительный вход которого соединен с питающей диаго- налью моста, а его делительный вход подключен к выходу схемы 5 вычитания постоянной величины линеаризатора 3. Поэтому напряжение на выходе перемножителя-делителя 8 пропорционально

т---tgdl. Для компенсации искажений J + f-p

в области Ш 1сших частот исходного спектра вертикальной компоненты скорости ветра в измеритель введено пропорционально-дифференцирующее звено с управляемым выходным напряжением квадратора 4 линеаризатора 3 частотой среза. Коэффициент передачи такого пропорционально-дифференциру- ющего звена равен l+ffP. где Т- постоянная времени звена.

Постоянная времени звена определяется из соотношения

,...где С - электрическая емкость конденсатора 15;

R - сопротивление резистора 14, Таким образом, подстройкой резистора R можно получить 1, т,е, напряжение на выходе пропорционально- дифференцирующего звена 9 в широком диапазоне частот пропорционально

только .тангенсу углу между вектором скорости ветра и горизонтальной плоскостью. Поэтому напряжение на выходе перемножителя 10, входы которого подключены к выходам линеаризатора 3, и пропорционально-дифференцирующего звена 9 прямо пропорционально величине вертикальной кo ffloнeнты скорости V VsinoL ветра в широкой полосе частот,

Формула изобретения

1, Измеритель горизонтальной и вертикальной компонент скорости нет- ра, содержащий насадок с двумя, расположенными под углом друг к другу нитями, размещенный на стреле легкой

флюгарки, два дополнительных резистора, образующих с нитями насадок мост, терМОанемометр постоянной температуры, подключенный к питающей диагонали моста и входу линеаризатора, состоящего из последовательно соединенных квадратора, схемы вычитания постоянной величины и схемы возведения в степень, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с измерительной диагональю моста, и перемножитель, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона измерения вертикальной компоненты скорости ветра, в него введены перемножитель-делитель и пропорционально -дифференцирующее звено, причем один из множительных входов перемножителя-делителя подключен к питающей диагонали моста, другой - к выходу дифференциального усилителя, делительный вход - к выходу схемы вычитания постоянной величины линеаризатора, а выход - к информационному входу пропорционально-дифференцирующего звена, управляющий вход которого подключен к выходу квадратора линеаризатора, а выход соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом схемы возведения в степень линеаризатора,

2, Измеритель по п, 1, отличающийся тем, что пропорционально-дифференцирующее звено выполнено состоящим из дифференциаль- ного усилителя, перемножителя напряжений, инвертирующего операционного усилителя, резистора и конденсатора причем прямой вход дифференциального усилитепя с перюш выводом конденсатора, инвертирукиций вход - с выходом инвертирующего операционного усилителя и первым входом перемножителя напряжений, второй вывод конденсатора соединен с входом инвертирующего операционного усилителя и первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с выходом перемножителя напряжений, второй вход перемножителя напряжения является управляющим входом, прямой вход дифференциального усилителя - информационным входом, а выход дифференциального усилителя - выходом пропорционально-дифференцирующего чвена.

cf7cfг.2

Редактор А, Ревин

Составитель Л. Лабузова

Техред А.Кравчук Корректор Е. Рошко

Заказ 772А7Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность и расширить частот ньй диапазон измерения вертикальной компоненты скорости ветра. Напряжение с измерительной диагонали моста после усиления, осуществляемого дифференциальным усилителем 7, поступает на вход перемножителя-делителя 8, другой множительный вход которого соединен с питающей диагональю моста, а его делительный вход подключен к выходу схемы 5 вычитания постоянной величины линеаризатора 3. Для компенсации искажений в области высших частот исходного спектра вертикальной компоненты скорости ветра в устройство введено пропорционально- дифференцирующее звено 9 (ПДЗ) с управляющим выходным напряжением квадратора 4 линеаризатора 3 частотой среза. Напряжение на выходе ВДЗ 9 пропорционально в щироком диапазоне частот тангенсу угла между вектором скорости ветра и горизонтальной плоскостью. Поэтому напряжение на выходе перемножителя 10 пропорционально величине вертикальной компоненты скорости ветра в пшрокой полосе частот. 1 3.п. ф-лы, 2 ил. (Л ьо со 05 со. 4