Устройство для измерения скорости и направления горизонтального ветра

 

Использование: в области метеорологического приборостроения. Сущность изобретения: для повышения точности измерения в устройство для измерения скорости и направления горизонтального ветра, содержащее флюгер, две вертушки с датчиками угловых скоростей их вращения, датчик угла поворота флюгера, блок вычитания и первый блок сложения, введены второй блок сложения, блок деления сигналов, блок вычисления модуля скорости ветра и блок формирования поправки. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения.

Известны устройства для измерения скорости и направления горизонтального ветра, состоящие из двух отдельных первичных приборов [1] измерителя скорости, представляющего собой аксиальную вертушку (вертушку пропеллерного типа) или тангенциальную вертушку (вертушку чашечного типа) с датчиком угловой скорости ее вращения; измерителя направления, обычно выполняемого в виде установленного на вертикальной оси флюгерного датчика.

Этим устройствам присущи два существенных недостатка, суть которых заключается в следующем.

Во-первых, поскольку неподвижная (относительно некоторой базовой системы координат, жестко связанной с земной поверхностью или с корпусом движущегося объекта, на котором проводится измерение ветра) ось (плоскость) максимальной чувствительности аксиальной (тангенциальной) вертушки наперед ориентирована по наиболее вероятному направлению ветра, то при скосах воздушного потока от этого направления возникает методическая погрешность измерения скорости где относительная погрешность измерения скорости ветра, γ угол скоса воздушного потока от наиболее вероятного его направления.

Во-вторых, поскольку устанавливающий флюгер момент пропорционален скоростному напору воздушного потока, то при наличии трения в оси вращения флюгера возможна его зона нечувствительности (застоя) где К, град·м²/c² коэффициент, зависящий от размеров флюгера, плотности воздуха и величины момента трения в оси вращения флюгера, приводящая к погрешности измерения флюгерным датчиком направления ветра, тем большей, как следует из формулы (2), чем меньше скорость воздушного потока.

Несколько лучшие точностные характеристики по каналу измерения скорости имеет известное [2] в метеорологическом приборостроении устройство для измерения скорости и направления ветра (принято за прототип), в котором чувствительный элемент измерителя скорости (вертушка) жестко связан с подвижной частью флюгерного датчика, что обеспечивает ориентацию оси максимальной чувствительности вертушки не по наиболее вероятному направлению воздушного потока, а по действительному (с точностью до зоны застоя) направлению. Выражение (1) для этого устройства имеет вид Второй из указанных выше недостатков, а именно погрешность измерения флюгерным датчиком направления ветра при малых по модулю скоростях, вызванная зоной нечувствительности (2) флюгера при трении в его оси вращения, остается и в этом известном устройстве.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения скорости и направления ветра при малых по модулю скоростях воздушного потока за счет введения поправки Δα, компенсирующей зону нечувствительности (застоя) флюгерного датчика.

Указанный результат достигается тем, что на подвижной, устанавливающей по ветру части флюгерного датчика устанавливаются две вертушки с датчиком угловых скоростей n₁ и n₂ их вращения так, что их оси максимальной чувствительности симметрично развернуты от вертикальной плоскости (плоскости флюгера) в разные стороны на углы соответственно +α_o и -α_o, и введены первый блок сложения (n₁ + n₂), блок вычитания (n₁ n₂), блок деления сигналов блок формирования поправки на зону нечувствительности флюгера, второй блок сложения α = α_ф+Δα, где α_ф выходной сигнал флюгерного датчика, и блок определения модуля скорости ветра

где крутизна статической характеристики (n f(v)) вертушки.

Для доказательства существенности указанной совокупности отличительных признаков в достижении поставленной цели воспользуемся известным в технике восприятия параметров воздушного потока фактом, что угловая скорость вращения вертушки пропорциональна проекция вектора скорости воздушного потока на ось максимальной чувствительности, то есть
n = kvcosγ, (6)
где γ угол скоса потока. При наличии зоны нечувствительности Da угловые скорости n₁ и n₂ вращения вертушек, развернутых относительно вертикальной плоскости на углы +α_o и -α_o, будут соответственно


Из формул (7) и (8) следуют необходимость и достаточность для достижения поставленной цели предполагаемой совокупности отличительных признаков (при подстановке выражений (7) и (8) в выражения (4), (5) получаются тождества).

По материалам отечественной и зарубежной патентно-технической литературы сущность идентичного или эквивалентного технического решения не обнаружена. Следовательно, заявляемое техническое решение является новым.

На чертеже представлена схема предлагаемого технического решения.

Устройство содержит флюгерный датчик 1, две вертушки 2 и 3 с датчиками 4 и 5 угловых скоростей их вращения, токосъемник 6, вторичный преобразователь флюгерного датчика 7 (преобразователь угла поворота подвижной части флюгерного датчика в электрический сигнал), блок вычитания 8, первый блок сложения 9, блок деления сигналов 10, блок формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11, второй блок сложения 12, блок определения модуля скорости 13.

Вертушки 2, 3 жестко связаны с подвижной частью флюгерного датчика 1 и устанавливаются в ее передней части так, что их оси максимальной чувствительности симметрично развернуты от вертикальной плоскости (плоскости XOY флюгера) в разные стороны на углы соответственно +α_o и -α_o. Сигналы с датчиков 4 и 5 через токосъемник 6 подаются на блок вычитания 8 и первый блок сложения 9, при этом сигнал с датчика 4 подается на неинвертирующий вход блока вычитания 8, а сигнал с датчика 5 на инвертирующий вход блока вычитания 8. Сигналы с блоков 8 и 9 подаются на блок деления сигналов 10, причем сигнал с блока 8 подается на вход делимого, а сигнал с блока 9 на вход делителя. Выход блока деления сигналов 10 подключен к входу блока формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11 и к входу блока определения модуля скорости 13, на другой вход которого подается сигнал с первого блока сложения 9. Выходы блока формирования поправок на зону нечувствительности флюгера 11 и вторичного преобразователя 7 угла поворота флюгерного датчика подключены к входам второго блока сложения 12.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При обдуве флюгерного датчика 1 воздушным потоком флюгарка датчика отслеживает направление потока, при этом возникает зона нечувствительности Δα (угол между вектором скорости потока и продольной осью OX датчика), которая тем больше, чем меньше модуль вектора скорости потока. Наличие зоны нечувствительности приводит к тому, что вертушки 2 и 3 будут обтекаться под разными углами скоса потока, соответственно α_o-Δα и α_o+Δα. Сигналы с датчиков 4 и 5 будут пропорциональны соответственно величинам


Из выражений (7) и (8) видно, что сигналы с выходов блока вычитания 8 и первого блока сложения 9 будут зависеть как от величины зоны нечувствительности Δα, так и от величины модуля вектора скорости , т.е.

n₁-n₂= 2kvsinα_osinΔα, (9)
n₁+n₂= 2kvsinα_osinΔα, (10)
а сигнал с выхода блока деления сигналов 10 от модуля вектора скорости зависеть не будет, а будет определяться лишь только величиной зоны нечувствительности флюгера Δα:

На основе этого факта и основано определение зоны нечувствительности в блоке 11, алгоритм которого

вытекает из выражения (11).

При подстановке (12) в (10) и разрешении последнего относительно v получаем алгоритм блока определения модуля вектора скорости ветра 13:

Кроме того, предлагаемое устройство имеет по сравнению с упомянутыми известными устройствами лучшие динамические характеристики по каналу измерения угла за счет того, что этот угол формируется как результат сложения сигналов, проходящих через встречно-параллельное соединение, одна из ветвей которого (элементы 2, 3, 4, 5, 8, 10, 11) имеет собственную частоту, в 10-15 раз большую, чем собственная частота основного флюгерного канала (ветвь формирования α_ф).

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости и направления горизонтального ветра, содержащее флюгер, две вертушки с датчиками угловых скоростей их вращения, установленные на подвижной части флюгера так, что их оси максимальной чувствительности расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения флюгера, и симметрично развернуты от оси симметрии флюгера в разные стороны на углы, соответственно +α_o и -α_o, датчик угла поворота флюгера, блок вычитания и первый блок сложения, входы которых подсоединены к выходам датчиков угловых скоростей вращения вертушек, отличающееся тем, что в него введены второй блок сложения, блок деления сигналов, блок вычисления модуля скорости ветра и блок формирования поправки, при этом неинвертирующий вход блока вычитания подключен к выходу датчика угловой скорости вращения одной вертушки, а инвертирующий вход блока вычитания подключен к выходу датчика угловой скорости вращения другой вертушки, входы делимого и делителя блока деления сигналов подключены соответственно к выходам блока вычитания и первого блока сложения, входы блока вычисления модуля скорости ветра подключены к выходам блока деления сигналов и первого блока сложения, вход блока формирования поправки подключен к выходу блока деления сигналов, а входы второго блока сложения подключены к выходам блока формирования поправки и к выходу датчика угла поворота флюгера.

РИСУНКИ

Рисунок 1