Метеостанция для трехкоординатного измерения вектора скорости потока воздуха и температуры

Авторы патента:

Кудрявцев Олег Валентинович (RU)

G01W1/04 - дающие отдельные показания измеряемых величин

G01P5/24 - путем измерения непосредственного воздействия потока текучей среды на свойства, обнаруживаемые акустической волной

G01P13/02 - индикация только направления, например с помощью атмосферных флюгеров

Владельцы патента RU 2666971:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения трехкоординатного вектора скорости воздуха и температуры. Сущность: метеостанция выполнена в виде флюгера, установленного на двухстепенном шарнире (1). На флюгере установлен блок (2) датчиков и ультразвуковые приемо-передающие датчики (4) температуры и скорости потока воздуха. В блоке (2) датчиков размещены датчики температуры воздуха, датчики относительной влажности воздуха, датчики атмосферного давления, электромагнитный компас, акселерометр, датчик угловых скоростей, устройство обработки информации, устройство передачи информации. Технический результат: повышение точности и скорости измерения скорости и направления ветра, уменьшение габаритных размеров, сокращение сроков установки и подготовки устройства к работе. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения давления, влажности, а также скорости, направления и температуры воздуха.

Известны устройства, позволяющие измерять скорость ветра и температуру воздуха ультразвуковым методом («Прибор метеорологический автоматизированный» патент на изобретение №RU 2466435 от 10.11.2012 г.; «Преобразователь измерений метеорологических параметров окружающей среды» патент на полезную модель №RU 53024 от 27.04.2006 г.). Эти устройства для измерения трех компонентов вектора скорости ветра имеют в своем составе несколько пар ультразвуковых приемопередатчиков, ориентированных навстречу друг другу.

Недостатком подобной конструкции являются низкие скорость и точность измерений, большие габаритные размеры, а также необходимость предварительной юстировки. В устройствах такого типа измеряются временные интервалы прохождения сигнала от одного приемопередатчика до другого, расположенного вдоль оси измерения. Абсолютная погрешность измерения времени зависит от частоты ультразвукового сигнала, а также ограничена дискретностью времени вычислителя. Абсолютная погрешность измерения времени для двух приборов с идентичными характеристиками электронных компонентов и равным расстоянием между ультразвуковыми приемопередатчиками одинакова. Необходимость измерения трех компонент скорости приводит к тому, что в общем случае по каждой из осей измеряется меньшая по модулю величина, что приводит к росту относительной погрешности. Кроме того, в известных устройствах фактически дважды измеряются угловые координаты. Первый раз для определения ориентации системы датчиков в пространстве, а второй при определении направления ветра из компонент скорости. Погрешности этих измерений складываются.

Прототипом заявляемого изобретения является «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» патент на изобретение №RU 2319987 от 05.06.2006 г. В конструкции прототипа применено решение, позволяющее отслеживать неверные показания анемометра, связанные с изменением длины измерительной базы. Измерение длины производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Операция производится внутри ветрозащищенного бокс-контейнера. Однако прототип также обладает всеми перечисленными недостатками, присущими вышеперечисленным аналогам.

Задачей изобретения является устранение таких недостатков, как пониженные скорость и точность измерений, необходимость предварительной юстировки прибора, а также большие габаритные размеры. Технический результат - увеличение точности и скорости измерения модуля вектора скорости и направления ветра, уменьшение габаритных размеров, сокращение сроков установки и подготовки прибора к работе.

Указанный технический результат достигается за счет применения для измерения скорости воздушных масс ультразвукового анемометра в сочетании с флюгером на двухосевом шарнире и блоком датчиков, обеспечивающих определение положения флюгера в пространстве. Кроме того, в конструкции анемометра предусмотрено размещение дополнительного датчика температуры, позволяющего ввести поправку на температурное расширение конструкции и изменение измерительной базы (расстояния между ультразвуковыми датчиками).

На фиг. 1 представлен эскиз устройства, который состоит из флюгера на двухстепенном шарнире (1), блока датчиков (2) с вычислителем, системой электропитания и системой беспроводной передачи данных на портативную или стационарную ЭВМ, измерительного тракта ультразвукового анемометра. Измерительный тракт представляет собой металлический каркас (3) с закрепленными на противоположных сторонах ультразвуковыми приемопередатчиками (4). Блок датчиков содержит датчик угловых скоростей и трехкоординатный акселерометр, электронный магнитный компас, датчики давления, влажности и температуры. Блок датчиков располагается вблизи центра масс всей системы. Двухстепенной шарнир располагается в центре масс всей системы, что обеспечивает безразличное равновесие в спокойном воздухе (V=0). Оперение (5) имеет произвольную форму (например, х-образное, звездообразное, решетчатое, и т.д.), и обеспечивает ориентацию флюгера вдоль направления потока воздуха в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Оперенный флюгер на двухстепенном шарнире, закрепленный на штанге, ориентируется по направлению воздушного потока. Пространственное положение флюгера измеряется при помощи датчика магнитного поля (электронного магнитного компаса), датчиков угловых скоростей и трехкоординатного акселерометра. Атмосферное давление определяется цифровым барометрическим датчиком давления. Влажность и температура определяются соответствующими датчиками. Измерение параметров воздушной среды проводится ультразвуковыми приемопередатчиками в измерительном тракте. При измерении параметров воздушной среды происходит измерение времени прохождения звукового сигнала в прямом и обратном направлении. Изменение длины измерительной базы производится путем сопоставления измерений температуры, проведенных ультразвуковым методом, и с помощью отдельного датчика температуры. Далее вычислителем производится вычисление скорости звука в среде и скорости среды

где

с - скорость звука

L - длина измерительной базы

t_прям - время распространения сигнала в прямом направлении

t_обр - время распространения сигнала в обратном направлении

V_возд - скорость потока воздуха.

С учетом поправок на изменение влажности воздуха можно вычислить температуру воздуха

где

Т - абсолютная температура

М - молярная масса

γ - показатель адиабаты

R - универсальная газовая постоянная

е - парциальное давление водяных паров

p - атмосферное давление.

Измеренные и вычисленные метеорологические параметры: температура воздуха, атмосферное давление, влажность, величина и азимут горизонтальной компоненты скорости ветра, передаются по беспроводному интерфейсу в портативную ЭВМ для последующих интерпретации и визуализации.

Таким образом, описанное техническое решение за счет уменьшения количества ультразвуковых приемопередающих датчиков, оригинальной конструкции, алгоритмов измерения и вычисления, введения дополнительного датчика температуры позволяет повысить точность измерения модуля вектора скорости и направления ветра, температуры воздуха, уменьшить массогабаритные параметры, обеспечить быстрые установку и подготовку прибора к работе.

Метеостанция для измерения трехкоординатного вектора скорости воздуха и температуры, содержащая ультразвуковые приемо-передающие датчики, датчики температуры воздуха, датчики относительной влажности воздуха, датчики атмосферного давления, электромагнитный компас, устройство обработки информации, устройство передачи информации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит акселерометр, датчик угловых скоростей, флюгер, установленный на двухстепенном шарнире, причем ультразвуковые приемо-передающие датчики выполнены с возможностью измерения скорости потока воздуха и температуры и размещены на флюгере.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для дистанционного определения гидрометеорологических параметров состояния системы океан-атмосфера.

Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков // 2631965

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения.

Мобильный комплекс беспилотного воздушного мониторинга // 2612754

Изобретение относится к области воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов и может быть использовано для обнаружения чрезвычайной ситуации (ЧС) природного и техногенного характера и ликвидации ее последствий.

Система измерения гидрологических параметров на больших глубинах // 2571292

Изобретение относится к средствам для проведения гидрологических исследований на больших глубинах. Сущность: система включает обрывной океанографический зонд, состоящий из утяжеленной носовой части и хвостовой части.

Буй для определения характеристик морских ветровых волн // 2561229

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. Сущность: устройство состоит из цельнометаллического корпуса (3), внутри которого установлены модуль (1) управления с опционным блоком GPS, источник (2) питания, цифровой трехкомпонентный акселерометр (15), трехкомпонентный магнитометр (17).

Способ дистанционного определения прозрачности участка неоднородной атмосферы // 2560026

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности.

Способ определения простраственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания // 2552859

Изобретение относится к методам исследования физических свойств веществ и, в частности, снежного покрова. Сущность: способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания включает предварительное выполнение шурфа до подстилающей поверхности, определение стратиграфии снежной толщи, введение в толщу покрова в непосредственной близости от стенки шурфа лавинного щупа, регистрацию сигнала акустической эмиссии, возникающего при его перемещении, соотнесение каждому слою снежной толщи характерной формы и модулирующей частоты сигнала акустической эмиссии, последующее введение лавинного щупа в заданной точке снежного покрова и определение стратиграфии в этой точке путем сравнения зарегистрированного в ней сигнала акустической эмиссии с сигналом, полученным для контрольного шурфа.

Способ дистанционного зондирования неоднородной атмосферы // 2547474

Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы // 2538028

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.

Система экологического мониторинга атмосферного воздуха горнопромышленной промагломерации // 2536789

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для прогнозирования распространения загрязнения атмосферного воздуха на территории горнопромышленной агломерации.

Ультразвуковой способ измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах // 2664456

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода проточной воды в открытом водоеме. Предложенный способ включает последовательность следующих операций: - пошаговое (с заданным временным интервалом) ультразвуковое измерение скорости воды в поперечном сечении русла водоема на основе зондирования толщи воды с борта водоплавающего измерителя, например, установленного на радиоуправляемой лодке; - регистрация на каждом шаге измерений текущей величины горизонтального угла сноса измерителя течением воды по данным навигационных измерений, а также - текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов; - сравнение текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды с пороговыми значениями для выбора рационального режима измерений с точки зрения повышения точности измерений параметров водоема; - выбор в зависимости от знака и величины результатов сравнения рационального режима измерений, включающего рациональный выбор параметров зондирующих ультразвуковых импульсов, их вид модуляции и соответствующий вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов; - интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости течения воды и расхода воды в поперечном сечении русла водоема на основе найденных значений текущей глубины водоема, радиальной скорости течения воды и угла сноса ультразвукового измерителя.

Способ и устройство для ультразвукового измерения расхода накладным методом и схемное устройство для управления ультразвуковым измерением расхода накладным методом // 2660011

Изобретение относится к способу и устройству для ультразвукового измерения расхода накладным методом по методу измерения времени прохождения. Для соответствующего изобретению способа ультразвукового измерения расхода по методу измерения времени прохождения на измерительной трубе расположены по меньшей мере четыре акустических преобразователя, которые с помощью устройства управления управляются таким образом, что измерение расхода осуществляется попеременно друг за другом в X-образной компоновке и отражательной компоновке.

Расходомер с улучшенным временем прохождения сигнала // 2657343

Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к ультразвуковым расходомерам с временем прохождения. Согласно изобретению предлагается способ определения скорости потока жидкости в трубопроводе для текучей среды.

Расходомер с улучшенным временем прохождения сигнала // 2657343

Расходомер жидких и газовых сред в напорных трубопроводах // 2496113

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.

Ультразвуковое измерительное устройство и способ ультразвукового измерения скорости потока // 2488836

Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности // 2466425

Изобретение относится к методам определения параметров волнения водной поверхности и может быть использовано в метеорологии и океанологии для мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана.

Способ определения скорости потока и расхода жидких и газообразных продуктов // 2430381

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводам.

Ультразвуковой измеритель потока с низким энергопотреблением // 2423673

Устройство для измерения скорости газовоздушного потока // 2390028

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в горной промышленности для определения средней по сечению выработки скорости газовоздушного потока.

Способ и устройство для измерения угла атаки и скольжения воздушного судна // 2628454

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может найти применение для измерения угла атаки воздушного судна, а в более общем случае способно измерять информацию о воздушных параметрах указанного воздушного судна и выявлять нечувствительные к числу Маха, температуре и ошибкам из-за ухода параметров и отклонения.