2.2. Акустические

При взаимодействии ветра оказалось необходимым измерять сумму времен прохождения акустическими сигналами расстояний между излу­чателем и двумя приемниками, расположенными диаметрально противоположно относительно излучателя, или сумму фаз сиг­налов акустических сигналов, достигающих приемников. Так, в им­пульсном анемометре

(2.1)

или, при V²<<с²,

(2.2)

Таким образом, разность τ₂ –τ₁ прямо пропорциональна составляющей скорости воздушного потока вдоль линии, соеди­няющей приемник и излучатель. Чувствительность импульсного анемометра характеризуется величиной

(2.3)

Сравним реакции анемометра на скорость потока и на тем­пературу, для чего поделим друг на друга (2.2) и (2.3). Тогда получим

(2.4)

Так, например, при Т≈300°К и V=1 м/сек указанное отно­шение реакций равно 300: изменение температуры на 1° вызы­вает примерно такое же изменение разности τ₂ –τ₁ , как изме­нение скорости потока на 1/300м/сек, т. е. примерно на 0,3мм/сек.

Фазовые акустические анемометры аналогичны по устройству фазовым акустическим термометрам с двумя приемниками, од­нако в анемометрах измеряется не сумма, а разность фаз сиг­налов [3, c. 64].

Излучатель и приемники однотипны; они представляют собой шарики или цилиндры, выполненные из титаната бария и укреп­ленные на штанге с помощью звукоизолирующих прокладок, препятствующих прохождению звука по штанге. Если частота, которая вырабатывается генератором, возбуждающим излуча­тель, равна 1,5 • 10⁴гц, то разность чиселN для акустических сигналов, идущих к приемникам, равна

(2.5)

или, при V²<<c²,

(2.6)

Если ω=15 000 гц, L = 1 м, с = 300м/сек, то чувствительность анемометра

(2.7)

Таким образом, изменение скорости ветра на 1 м/сек вызы­вает изменение числаΔN на 1/3, что соответствует изменению разности фаз сигналов на 360*1/3=120 град, следовательно, чувствительность оказалась высокой.

На рис. 2.1 показана схема акустического анемометра. Из­мерительная схема представляет собой электронный фазометр.

Рис. 2.1 Схема фазового акустического анемометра

Акустические сигналы в приемниках преобразуются в электри­ческие, разность фаз которых в свою очередь преобразуется в электрический сигнал, удобный для регистрации шлейфовым осциллографом. В качестве фазометра в схеме акустического анемометра может применяться, например, фазовый дискрими­натор (детектор). Сигналы от приемников после ограничения по амплитуде поступают на первич­ные обмотки трансформаторов Тр₁ иТр₂. Тогда амплитуда: выходного сигнала оказывается прямо пропорциональной раз­ности фаз сигналов, т. е. проекции скорости воздушного потока на направление, соединяющее приемники и излучатель. Другой вариант простого фазометра показан на рис. 2.2 и 2.3 сравниваемые сигналыU₁ иU₂, идущие от приемников.

Рис. 2.2Схема фазометра на Рис. 2.3Сигналы в фазометре

трехдиодах трех диодах

через конденсаторы С₁ иС₂, поступают на входы левого и пра­вого диодовД₁ иД₂. Благодаря наличию опорного напряженияЕ_опчерез диоды Д₁иД₂ проходят не только отрицательные по­луволны сигналовU₁ иU₂, но и часть положительных (до зна­ченияU_огр), ограниченного величиной положительного опорного напряженияЕ_оп.

Диод Д открыт только в то время, когда на анодах обоих диодовД₁ иД₂ сигналы положительны (на рис. 2.3 соответ­ствующие участки заштрихованы). Это время оказывается зави­сящим от разности фаз сигналовU₁иU₂.

На рис. 2.3 разность фаз сигналов равна π/2. При разности фаз π диод Д будет заперт все время; при нулевой разности фаз — все время открыт. Очевидно, что величина результирую­щего тока в амперметре Г будет пропорциональна отношению времен открытого состояния диода и закрытого, которое в свою очередь определяется, как уже было показано, разностью фаз сигналов.

Блокирующий конденсатор С сглаживает колебания резуль­тирующего тока, протекающего через амперметр. Дроссели Др₁иДр₂ замыкают цепь постоянных составляющих сигналов на входах фазометра.

Шкала прибора близка к линейной и практически не зави­сит от частоты сигналов U₁иU₂, требуется только, чтобы они были равны друг другу. Чрезвычайно слабой оказывается зави­симость результата измерений от соотношения амплитуд сиг­наловU₁иU₂ . В более совершенных фазометрах сигналы излучателя и при­емника преобразуются электронной схемой в кратковременные импульсные сигналы с крутым фронтом, например в прямо­угольные. Притом основным условием формирования импульсов является зависимость положения рабочего (крутого) фронта сиг­нала только от одного параметра сигнала — его фазы. Эти им­пульсные сигналы могут быть использованы для управления по­следующим каскадом фазометра.

Пусть, например, один сигнал отпирает лампу, а другой за­пирает ее. Тогда управляющая лампа будет вырабатывать импульсный сигнал, длительность которого будет определяться разностью времени прихода управляющих сигналов, т. е. раз­ностью фаз сигналов излучателя и приемника.

Если строго ограничить амплитуду сигнала лампы, то коли­чество электричества, содержащееся в каждом импульсе, выра­ботанном управляемой лампой, будет прямо пропорционально упомянутой разности фаз сигналов.

Такой фазометр называется стартстопным, смысл названия очевиден. Собственно говоря, и рассмотренный выше фазометр на трех диодах также может быть назван стартстопным, но в связи с тем, что фронт импульсов в нем не формируется, его точность несколько ниже.

Разновидностью стартстопного фазометра является такой, в котором управляемая лампа вырабатывает не постоянный (в промежутках между приходом импульсов) сигнал, а серию им­пульсов, значительно более кратковременных, чем подлежащее измерению время между управляющими импульсами (схема мультивибратора). Тогда мерой разности фаз сигналов служит число упомянутых кратковременных импульсов.

Измерение числа, длительности и скорости поступления им­пульсов будет рассмотрено ниже. Сейчас укажем лишь, что применение инерционных элементов (например, RС-элементы) с постоянной времени, значительно большей, чем длительность импульсов, но значительно меньшей, чем подлежащие измере­нию периоды изменения измеряемой величины (в данном случае скорости ветра), позволяет получать сигнал, пропорциональный этому изменению. В схеме (рис. 2.2) такой элемент образуется емкостьюС и сопротивлением гальванометраГ.

Если имеются основания считать, что в процессе измерения скорости потока температуры воздуха на путях акустического сигнала к одному и другому приемнику различны, то может быть применен такой прием. Акустический сигнал проходит сначала от излучателя к приемнику, затем в результате соответст­вующих переключений в схеме прибора (которые выполняются автоматически) приемник превращается в излучатель, а излу­чатель—в приемник, и акустический сигнал посылается вновь. Тогда в одном случае акустический сигнал пойдет по направ­лению воздушного потока, в другом случае — против него. Изме­ряется, как и в обычной схеме, разность фаз сигналов. Указан­ный прием связан с некоторым усложнением схемы.

Лучших результатов можно добиться, если одновременно посылать два акустических сигнала навстречу друг другу. Это достигается установкой двух излучателей и двух приемников. Еще лучший результат может быть получен, если приме­нять элементы, которые на одних частотах работают в режиме излучателей, а на других — в режиме приемников. При сравне­нии фаз сигналов, идущих по потоку и против него, частоты предварительно должны быть согласованы, для чего в электри­ческих схемах применяется умножение частот одного или обоих электрических сигналов, порожденных акустическими сигналами, поступившими на приемники.

Рис. 2.4 Радиоакустический анемометр

Если установить взаимно перпендикулярно три акустических анемометра, они дадут возможность измерять все три состав­ляющих скорости воздушного потока. В радиоакустическом измерителе скорость воздушного пото­ка определяется по доплеровскому смещению частоты, возни­кающему при отражении электромагнитной волны радиолока­тора от распространяющегося акустического возмущения. Принцип действия радиоакустического измерителя, его на­зывают также электромагнитно-акустическим зондом, иллюстрируется рис. 2.4. Акустический сигнал, который создается из­лучателем, концентрируется антенной в заданном направлении.

Радиолокационная волна, посланная в том же направлении, от­ражаясь от акустического возмущения, попадает в антенну, усиливается и далее поступает в прибор, измеряющий разность частот радиосигналов: посланного и принятого. Эта разность зависит от скорости движения акустической волны, которая в свою очередь зависит от скорости воздушного потока и темпе­ратуры воздуха. Все изложенные выше соображения относительно их взаимной роли сохра­няют силу и для электромаг­нитно-акустического зонда.

Для строго ламинарного по­тока отношение мощностей при­нятого и посланного радиосиг­налов при фиксированной мощ­ности акустического сигнала зависит от соотношения длин волн радио- и акустического сигналов и от числа акустиче­ских волн, укладывающихся в одном радиолокационном им­пульсе. Соответствующая типо­вая зависимость показана на рис. 2.5.

Для реального турбулентно­го потока принятый сигнал ока­зывается ослабленным тем больше, чем сильнее турбулизирован поток. Эта зависимость может быть использована для построения измерителей турбулентности, так называемых турбулиметров.

Рис 2.5Типовая зависимость радиолакационных импульсов

Полевой вариант метеорологического комплекса АМК-03. Приведено описание нового полевого варианта автоматизированного ультразвукового метеорологического комплекса АМК-03, который предназ­начен для измерения мгновенных значений основных метеорологических вели­чин: температуры воздуха, скорости и направления горизонтального ветра, скорости вертикальной составляющей ветра, относительной влажности и атмосферного давления с частотой опроса датчиков 40 Гц и с накоплением данных в логгере. В комплексе предусмотрена регистрация информации от 8 дополнительных датчиков, включая датчики температуры почвы и (или) воды. Информация записывается на сменяемые Flash-карты памяти ёмкостью не менее 256 Мб. Для расшифровки и обработки данных логгера разра­ботано специальное программное обеспечение. Входящие в состав комплекса аккумуляторы обеспечивают автономный режим работы в течение не ме­нее 96 ч. В транспортной таре вес комплекса не превышает 19 кг. Метеоро­логический комплекс АМК-03 зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений РФ.

Состав, технические характеристики и описание работы "Эксметео-01". В комплексе "Эксметео-01" (рис. 2.1.) применен основной измерительный элемент из состава АМК-ОЗП — датчик метеорологических величин ДСВ-15 (ультразвуковой термоанемометр со встроенными датчиками дав­ления и влажности и акселерометрами, измеряющими углы отклонения ДСВ-15 от вертикали). Для накопления без компьютера результатов изме­рений мгновенных значений, получаемых от ДСВ-15, разработан специ­альный блок сбора информации (логгер) БСИ-11. Частота измерений в ДСВ-15 выбрана равной 40 Гц, что, с одной стороны, позволяет создавать выборки данных с мгновенными значениями метеорологических величин, необходимые для оценки характеристик атмосферной турбулентности, с другой — синхронизовать с процессом измерений запись их результатов в БСИ-11 (см. ниже).

Внешний вид передней панели БСИ-11 показан на рис. 2.6. К разъему

"GPS/PC" производится подключение GPS-навигатора либо компьютера (для прямого считывания текущих данных ДСВ-15 с помощью базового программного обеспечения "МЕТЕО 3.0"). GPS-навигатор (типа eTrex Summit фирмы "GARMIN") используется для автоматической при­вязки регистрируемых данных к времени и географическим координатам точки измерений. На противоположном торце цилиндрического корпуса БСИ-11 расположены разъемы для подключения источника питания, дат­чика ДСВ-15 и восьми дополнительных датчиков. Два из последних — термометры ДТР-15, входят в штатный состав "Эксметео-01" и использу­ются как датчики температуры почвы и (или) воды. Они изготовляются на основе полупроводниковых терморезисторов с цифровым выходом (микро­схемы

Рис. 2.6 Структурная схема метеокомплекса "Эксметео-01"

DS1624 фирмы "Maxim DALLAS"). Пределы измерений ДТР-15 от -55 до 125°С с дискретностью 0,03°С. Остальные шесть датчиков (произвольного назначения по усмотрению пользователя) должны быть аналого­вого типа с максимальными сигнальными напряжениями до 1,25 В (один вход), 2,5 В (два входа) и 5 В (три входа).

В логгере БСИ-11 все первичные данные измерений записываются как файлы формата FAT-16 в энергонезависимое устройство хранения инфор­мации, в качестве которого применяются сменяемые Flash-карты памяти типа SD или ММС (рис. 2.6) объемом не менее 256 Мб, которых хватает примерно на 5 сут непрерывных измерений. Объем каждого из файлов, формируемых БСИ-11, ограничивается временем измерений в 3 ч. При этом запись информации в файлы производится блоками по 512 б. Первый блок содержит данные GPS-навигатора на момент начала измерений. Они включают время (Всемирное скоординированное — год, месяц, день, час, минута и секунда), широту, долготу и высоту над уровнем моря точки раз­мещения GPS-навигатора, а также значения скорости возможного переме­щения этой точки вдоль направлений восток — запад, север — юг и по вертикали. Затем записываются 10 800 однотипных блоков по 512 б, в каждом из которых содержится информация, полученная в "Эксметео-01" последовательно за одну секунду измерений. В этих блоках вначале запи­сываются 32 б, в которых регистрируются: время (день, час, минута и се­кунда) с момента синхронизации БСИ-11 с GPS-навигатором (при его от­сутствии — с момента включения БСИ-11); суммы по 40 измерениям (для дальнейшего усреднения) значений выходных напряжений с датчиков ат­мосферного давления Р, относительной влажности воздуха г и темпера­туры Г корпуса ДСВ-15; данные 8 дополнительных датчиков, включая по­казания термометров ДТР-15; напряжение аккумулятора и нулевой байт. Все эти данные фиксируются в единицах АЦП. При этом если какой-ни­будь датчик не подключен к БСИ-11, то в соответствующие позиции запи­сываемого блока заносятся нулевые значения. Далее в блок записываются 40 пакетов по 12 6, содержащие измеренные значения (в числе синхроим­пульсов кварцевого генератора) времени t, прохождения ультразвуковых сигналов между четырьмя парами ультразвуковых датчиков в ДСВ-15 и показания акселерометров, соответствующие углам G_x и G_v отклонения ДСВ-15 от направления вектора силы тяжести в двух ортогональных плос­костях.

В комплект комплекса "Эксметео-01" кроме составных частей, показан­ных на рис. 1, входят: запасная аккумуляторная батарея типа DT 1207 (каждая из батарей обеспечивает не менее 96 ч непрерывной работы комп­лекса); 4-метровая разборная метеомачта; комплект соединительных кабе­лей; зарядное устройство и ранцевый транспортный контейнер. Габарит­ные размеры контейнера 215 х 400 х 715 мм, масса всего комплекта в контейнере не превышает 19 кг. Комплекс "Эксметео-01" может также пи­таться от любого внешнего источника постоянного тока с напряжением в пределах 10—30 В [6, c. 413].

Программное обеспечение. Для регистрации на компьютер данных с "Эксметео-01" и их дальней­шей математической обработки может применяться весь комплект стан­дартного программного обеспечения, ранее разработанный для метеокомп­лексов серии АМК-03. Кроме того, для обработки на компьютере информации, записанной логгером на Flash-карты, разработана дополни­тельная программа "ЛоггерАМК", которая обеспечивает: а) чтение файлов БСИ-11 и раскодирование содержащейся в них информации с первичными данными измерений; б) вычисление из первичных данных соответствую­щих им значений измеренных метеорологических величин; в) отображение результатов на экране монитора в числовом или графическом виде с воз­можностью печати и их сохранения в текстовых файлах; г) формирование и запись файлов четырех типов (по выбору пользователя), являющихся стандартными в выходных данных базового программного обеспечения "МЕТЕО 3.0".

Программа "ЛоггерАМК" автоматически вычисляет местное время для каждого измерения с учетом данных GPS-навигатора и времени с момента синхронизации БСИ-11. Вычисление метеорологических величин из пер­вичных данных измерений ДСВ-15 производится с учетом индивидуаль­ных калибровочных параметров этого устройства, предварительно загру­жаемых в программу из системного файла "МЕТЕО 3.0". Запись текстовых файлов выполняется в виде колонок цифр, доступных для за­грузки в программе "Microcalc Origin". Возможность записи файлов в фор­мате выходных данных "МЕТЕО 3.0" необходима для совместимости обра­ботки и анализа результатов измерений со стандартным случаем непо­средственного подключения компьютера к комплексу. Эти файлы могут использоваться программой "МЕТЕО DP" для вычислений различных статистических функций и числовых параметров, применяемых для описа­ния атмосферной турбулентности.

На рис. 2.6 показаны два возможных режима отображения в одном из окон программы "ЛоггерАМК" вычисленных результатов из данных ДСВ-15, записанных на Flash-карте за 1-минутный интервал измерений. Текстовый режим позволяет просматривать числовые значения временных флуктуации одновременно восьми величин, измеряемых в ДСВ-15, на задаваемом интервале времени, кратном 1 мин. В графическом 104 режиме можно просматривать изменения во времени любой из этих же ве­личин, но по отдельности. Следует отметить чувствительность акселерометров к визуально малозаметным колебаниям датчика ДСВ-15 на метеомачте (изменения углов G_x и G_y на десятые доли градуса), которые синхронны с порывами южной V_s и восточной V_e составляющих ветра, ре­гистрируемых здесь с пороговой чувствительностью в 0,01 м/с).

Метрологическое обеспечение. Метеокомплекс "Эксметео-01" может быть дополнительно оснащен специальной системой контроля и калибровки, состоящей из ветронепро­ницаемого бокса и установленного внутри него датчика температуры, под­ключенного к процессору вспомогательного пульта из комплекса АМК-ОЗП (при этом в качестве бокса используется транспортный контей­нер метеокомплекса). Система позволяет автоматически контролиро­вать и восстанавливать метрологические характеристики датчика ДСВ-15 в полевых условиях. Для этого перед началом измерений ультразвуковой термоанемометр помещается в бокс-контейнер и включается в измеритель­ный режим. Работа системы контроля и калибровки основывается на срав­нении вычисленных посредством программы "МЕТЕО 3.0" значений ком­понентов скорости ветра в боксе с истинными значениями, которые по условиям проводимых измерений должны быть равны нулю. При отклоне­нии измеренных данных от истинных система автоматически переходит в режим калибровки, в ходе которой решается обратная задача, связанная с определением расстояний L, между четырьмя парами ультразвуковых дат­чиков. При этом искомые значения температуры воздуха определяются датчиком температуры, установленным в боксе. Такая мето­дика позволяет автоматически восстанавливать метрологические характе­ристики датчика ДСВ-15 после возможных механических деформаций его конструкции, происходящих в процессе эксплуатации или транспортиров­ки комплекса. Вновь определенные значения расстояния L, в дальнейшем используются программой "МЕТЕО 3.0" для вычисления компонентов ско­рости ветра и температуры воздуха при работе датчика ДСВ-15 в измери­тельном режиме.

Метрологические характеристики комплекса "Эксметео-01" соответст­вуют значениям, указанным в таблице. Комплексы автоматизированные измери­тельные "Автономная метеорологическая станция АМК-03" АМЯ2.702. 089ТУ зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 36115-07.

Разработка комплекса "Эксметео-01" выполнялась при поддержке СО РАН (проект 7.13.1.2) и госконтракта (договора) № 4079р/6363 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфе­ре (генеральный директор И. М. Бортник).