СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в авиационной метеорологии при измерении параметров динамики атмосферы в приземном слое для оценки условий взлета и посадки летательных аппаратов, при прогнозировании экологической обстановки в зонах техногенных катастроф, а также на воздушных и морских судах при измерении параметров вектора скорости ветра.

Известно устройство для измерения среднего направления ветра по АС №363923, МПК G01P 13/00, опубликованному в бюл. №4 25.12.72 - [1], имеющее следующую совокупность существенных признаков: датчик скорости и направления ветра, ключ ввода поправок со схемой совпадения, триггер управления, счетчик импульсов, генератор модулирующих импульсов, индикаторы исходного положения направления поворота и положения датчика по секторам.

Под воздействием воздушного потока датчик устанавливается в положение, соответствующее текущему значению направления ветра. На выходе датчика получаются две опорные серии импульсов, сдвинутые относительно друг друга на 90° по фазе, а также серия коротких отсчетных импульсов, временной сдвиг которых t₁ относительно опорных импульсов прямо пропорционален направлению и обратно пропорционально скорости. Временной сдвиг t₁ преобразуется триггером в импульс переменной длительности, который заполняется в схеме совпадений импульсами от генератора. Время измерения T определяется задатчиком. При этом выполняются такие соотношения, что полное число импульсов на выходе генератора за время T соответствует показанию счетчика, равному 360°. Количество импульсов, прошедших через схему на вход счетчика, пропорционально сумме длительностей единичных временных интервалов, выделяемых триггером за время T, т.е. соответствует среднему направлению и не зависит от скорости.

Известен измерительный преобразователь параметров ветра по АС №1296946, МПК G01P 5/02, опубликованному в бюл. №10 15.03.87 - [2], содержащий ветроприемник, состоящий из рупора, на дне которого закреплен термочувствительный элемент, и горизонтальной платформы, датчик положения, электродвигатель, токосъемник, блок преобразования, состоящий из усилителя, дифференцирующего устройства, формирователя, двух запоминающих устройств и дифференциального усилителя.

При каждом обороте платформы ветроприемника под принудительным воздействием электродвигателя датчик положения вырабатывает напряжение, пропорциональное углу поворота. Когда рупор направлен параллельно направлению ветра, напряжение термочувствительного элемента принимает минимальное значение, что фиксируется дифференцирующим устройством и формирователем, которые обеспечивают управляющий сигнал для запоминания устройством соответствующего значения напряжения датчика положения, в результате напряжение на выходе блока преобразования, снимаемое с выхода запоминающего устройства, будет пропорциональным направлению ветра. Напряжение блока преобразования, снимаемое с выхода дифференциального усилителя, будет пропорционально скорости ветра и не зависит от температуры окружающей среды.

Недостатком этих вариантов устройств является наличие подвижных элементов в измерительном преобразователе, что снижает надежность измерения параметров ветра, низкие динамические характеристики, обусловленные косвенным измерением направления вектора скорости ветра, большая погрешность измерения значения вектора скорости, связанная со сложностью алгоритма обработки и формирования результатов измерения параметров вектора скорости ветра.

Известно устройство для измерения скорости ветра по АС №1012174, МПК G01W 1/02, опубликованному в бюл. №14 от 15.04.83 - [3], содержащее приемник статического давления, образованный двумя соосно установленными и жестко связанными полушариями одинакового радиуса, обращенными выпуклостями друг к другу, причем одно из полушарий снабжено выходным отверстием для отбора статического давления, расположенным в зазоре между полушариями и соединенным трубкой с прибором, по которому однозначно определяется скорость ветра.

Сужающийся поток воздуха, проходя между полушариями, ускоряется, и давление в нем падает, изменения давления через выходное отверстие для отбора статического давления и трубку регистрируется прибором типа авиационного вариометра, проградуированного в относительных величинах измеряемого параметра.

Известно устройство для измерения скорости ветра по АС №1200221, МПК G01W 1/02, опубликованному в бюл. №47 23.12.85 - [4], содержащее последовательно соединенные датчик манометрического типа, преобразователь и регистратор. Датчик выполнен в виде полусфер, симметричных относительно вертикальной оси поверхностей обтекаемой формы, жестко связанных и обращенных выпуклостями одна к другой, с отборными отверстиями, одно из которых расположено в области максимального сближения поверхностей, а другое - в нижней поверхности.

Воздушный поток между полусферами, сужаясь, ускоряется, что вызывает понижение статического давления. Это давление через отборное отверстие, расположенное в области максимального сближения поверхностей, по отборной трубке статического давления передается в преобразователь и сравнивается с полным давлением в полусфере, где скорость потока равна нулю. Другое отборное отверстие расположено в нижней поверхности полусферы. Выходное давление с манометрического датчика поступает на вход преобразователя и далее на регистр.

Недостатками этих устройств являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные наличием только одного сигнала по скорости ветра, и недостаточная надежность, связанная с применением датчиков манометрического типа с ограниченным ресурсом работы деформационного чувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, взятым за прототип, является измеритель параметров ветра, рассмотренный в работе авторов Порунова А.А., Бердникова А.В. Измеритель параметров ветра с процессорной обработкой выходных сигналов // В сб.: Переферийные устройства ЭВМ и систем. Материалы семинара. - М.: МДНТП, 1991. С.123-128. - [5], состоящий из ветроприемного устройства, измерителя статического давления, датчика температуры, датчиков давления, электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя, управляющего контроллера, накопителя, контроллеров символьной и графической информации, указателя скорости, указателя направления.

Ветроприемное устройство выполнено в виде многоканального аэрометрического преобразователя по патенту №2042137, МПК G01P 5/16, опубликованному в бюл. №23 20.08.1995, содержащего аэродинамическое тело, состоящее из двух частей, выполненных в виде шаровых сегментов, имеющих общую ось вращения, и снабженное радиально расположенными трубчатыми приемниками давления, каждый из которых сообщен независимым пневматическим каналом со своим выходным штуцером. Трубчатые приемники давления расположены равноотстоящими по углу и закреплены на держателях, посредством которых две части аэродинамического тела соединены между собой. Выпуклые поверхности шаровых сегментов обращены навстречу друг другу. Оси трубчатых приемников давления совмещены с плоскостью симметрии обеих частей аэродинамического тела, которая ортогональна их общей оси вращения. При этом внутренняя полость одной части аэродинамического тела герметично замкнута первым диском и сообщена посредством пневматических каналов держателей с полостью, образованной второй частью аэродинамического тела и вторым диском. Каждая из полостей снабжена приемными отверстиями статического давления, расположенными на плоских поверхностях конусовидных выборок в обеих частях аэродинамического тела. Расстояние между плоскими поверхностями равно одной пятой части диаметра аэродинамического тела. Плоскости входных отверстий трубчатых приемников давления расположены на касательных к окружности, составляющей (0,5…0,6)D (диаметра аэродинамического тела), а диаметр конусовидной выборки выбран из условия d=(0,08…0,1)D.

Основными недостатками прототипа являются ограниченная эффективность системы, обусловленная неполным использованием информативной избыточности измерительного сигнала по перепаду давления, ограниченными эксплуатационными характеристиками формирующих первичные информативные сигналы элементов, характеризующихся низкой помехоустойчивостью, в связи с размещением их в открытом воздушном пространстве приземного слоя атмосферы.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, заключается в повышении эффективности применения устройства в задачах управления воздушных движением в аэродромной зоне, при прогнозировании экологической обстановки в зонах техногенных катастроф, а также при измерении параметров вектора скорости ветра на воздушных и морских судах, за счет расширения функциональных возможностей и повышения помехоустойчивости функционирования системы к возмущениям приземного слоя атмосферы.

Технический результат достигается тем, что в системе измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое, состоящей из ветроприемного устройства, датчиков перепада давления, электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя, устройства обработки информации, средства отображения информации, новым является то, что датчики перепада давления со своими электроизмерительными схемами формирования первичных информативных сигналов образуют блок формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.

При этом пневматическими входами блока формирования первичных сигналов являются выходы ветроприемного устройства по полным и статическому давлениям, а его электрическими выходами являются выходы электроизмерительных схем формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления. Пневматические входы блока формирования первичных информативных сигналов по полному давлению соединены с пневматическими выходами этого же блока и с пневматическими входами проточных датчиков перепада давления, выходы которых объединены и подсоединены к входу блока формирования первичных информативных сигналов по статическому давлению.

Дополнительно в структуру системы введен блок формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, состоящий из осредняющей полости формирования сигнала по атмосферному давлению, сообщенной с датчиком атмосферного давления, осредняющей полости восприятия температуры, сообщенной с датчиком температуры атмосферы, и компенсационного датчика температуры, соединенного со своей электроизмерительной схемой формирования сигнала по температурной компенсации.

При этом выходы датчиков блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы являются его электрическими выходами по сигналам температурной компенсации, атмосферному давлению и температуре атмосферного воздуха. Пневматические входы блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, сообщенные с пневматическими выходами блока формирования первичных сигналов, сообщены с пневматическими входами осредняющей полости формирования сигнала по атмосферному давлению. Первый пневматический выход этой полости сообщен посредством пневматического канала с входом осредняющей полости восприятия температуры воздушного потока, а второй пневматический выход - с компенсационным датчиком температуры. Выходы датчиков блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналам атмосферного давления и температуры атмосферного воздуха подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя.

Кроме того, в структуру системы введен блок предварительной обработки сигналов, состоящий из последовательно соединенных схем температурной коррекции и фильтров нижних частот. Входы блока предварительной обработки сигналов подсоединены к электрическим выходам блока формирования первичных сигналов по перепаду давлений и к выходу блока формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналу температурной компенсации.

Первые входы схем температурной коррекции подсоединены к входам блока предварительной обработки сигналов по сигналам перепада давления, а вторые входы - к входу этого блока по температурной компенсации, подсоединенного также к входу своего фильтра нижних частот. Выходы каждого из фильтров нижних частот являются выходами этого блока по сигналам скорости и подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя, цифровой выход которого подсоединен к блоку функциональной обработки, выходы которого являются выходами системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое по сигналам скорости V и направления ветра Ψ, атмосферного давления p_a, скорости его изменения , температуры атмосферного воздуха T и скорости ее изменения и подключены к средству отображения информации.

Проточные датчики перепада давления и компенсационный датчик температуры выполнены в виде модулей струйно-конвективных преобразователей, содержащих анемочувствительные элементы с формирующими соплами. Причем анемочувствительный элемент каждого модуля струйно-конвективного преобразователя расположен в створе струи, формируемой его соплом.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где фиг.1 - структурно-функциональная схема системы.

Здесь:

1 - ветроприемное устройство;

2 - датчики перепада давления проточного типа;

3 - электроизмерительные схемы формирования первичных информативных сигналов;

4 - аналого-цифровой преобразователь;

5 - устройство обработки информации;

6 - средства отображения информации;

7 - блок формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления;

8 - блок формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы;

9 - блок предварительной обработки сигналов;

10 - выходы (штуцеры) ветроприемного устройства 1 по полным давлениям;

11 - выход (штуцер) ветроприемного устройства 1 по статическому давлению;

12 - осредняющая полость формирования сигнала по атмосферному давлению;

13 - датчик атмосферного давления;

14 - осредняющая полость восприятия температуры;

15 - датчик температуры атмосферы;

16 - компенсационный датчик температуры;

17 - электроизмерительная схема формирования сигнала по температурной компенсации;

18 - схемы температурной коррекции;

19 - фильтры нижних частот;

20 - анемочувствительные элементы струйно-конвективных модулей;

21 - формирующие сопла струйно-конвективных модулей.

Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое состоит из ветроприемного устройства 1, датчиков 2 перепада давления, электроизмерительных схем 3 формирования первичных информативных сигналов, аналого-цифрового преобразователя 4, устройства 5 обработки информации, средства 6 отображения информации, блока 7 формирования первичных сигналов, блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы и блока 9 предварительной обработки сигналов.

Датчики 2 перепада давления со своими электроизмерительными схемами 3 формирования первичных информативных сигналов образуют блок 7 формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.

Пневматическими входами блока 7 формирования первичных сигналов являются выходы ветроприемного устройства 1 по полным 10 и статическому 11 давлениям, а его электрическими выходами являются выходы электроизмерительных схем 3 формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.

Пневматические входы блока 7 формирования первичных информативных сигналов по полному давлению соединены с пневматическими выходами этого блока и с пневматическими входами проточных датчиков 2 перепада давления, выходы которых объединены и подсоединены к входу блока 7 формирования первичных информативных сигналов по статическому давлению.

Блок 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы состоит из осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, сообщенной с датчиком 13 атмосферного давления, осредняющей полости 14 восприятия температуры, сообщенной с датчиком 15 температуры атмосферы, компенсационного датчика 16 температуры, соединенного со своей электроизмерительной схемой 17 формирования сигнала по температурной компенсации.

Пневматические входы блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы, сообщенные с пневматическими выходами блока формирования 7 первичных сигналов по сигналам перепада давления, сообщены с пневматическими входами осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению.

При этом первый пневматический выход осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению сообщен посредством пневматического канала с входом осредняющей полости 14 восприятия температуры воздушного потока, а второй пневматический выход - с компенсационным датчиком 16 температуры.

Выходами датчиков блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы являются его электрические выходы по сигналам температурной компенсации, атмосферному давлению и температуре атмосферного воздуха.

Выходы датчиков блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналам атмосферного давления и температуры атмосферного воздуха подсоединены к входам аналого-цифрового преобразователя 4.

Блок 9 предварительной обработки сигналов состоит из последовательно соединенных схем 18 температурной коррекции и фильтров 19 нижних частот. Входы блока 9 предварительной обработки сигналов подсоединены к электрическим выходам блока формирования 7 первичных сигналов по перепаду давлений и к выходу блока 8 формирования первичных сигналов по климатическим параметрам атмосферы по сигналу температурной компенсации.

Первые входы схем 18 температурной коррекции подсоединены к входам блока 9 предварительной обработки сигналов по сигналам перепада давления, а вторые входы - к входу этого блока по температурной компенсации, подсоединенного также к входу своего фильтра 19 нижних частот. Выходы каждого из фильтров 19 нижних частот являются выходами блока 9 по сигналам скорости и подсоединены ко входам аналого-цифрового преобразователя 4, цифровой выход которого подсоединен к блоку 5 функциональной обработки. Выходы блока 5 функциональной обработки являются выходами системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое по сигналам скорости V и направления ветра Ψ, атмосферного давления p_a, скорости его изменения , температуры атмосферного воздуха T и скорости ее изменения , подключенные к средству 6 отображения информации.

Проточные датчики 2 перепада давления и компенсационный датчик 16 температуры выполнены в виде модулей струйно-конвективных преобразователей, содержащих анемочувствительные элементы 20 с формирующими соплами 21. Причем каждый анемочувствительный элемент 20 модулей струйно-конвективных преобразователей расположен в створе струи, формируемой его соплом 21.

Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое работает следующим образом.

Многоканальное неподвижное ветроприемное устройство 1, взаимодействуя с набегающим воздушным потоком, воспринимает массив давлений с помощью радиально расположенных трубок полного давления и приемных отверстий статического давления. Давления p_п от входных отверстий каждого из приемных трубок полного давления по своим независимым каналам подают к выходным штуцерам ветроприемного устройства 1. Приемные отверстия статического давления, расположенные на плоских поверхностях конусовидных выборок ветроприемного устройства 1 в обеих частях аэродинамического тела, воспринимают местное статическое давление p_м.ст.

На выходе штуцеров по полным 10 и статическому 11 давлениям формируется массив давлений , который несет информацию о величине и азимуте вектора ветра в плоскости горизонта. Далее этот массив преобразуются в массив электрических сигналов с помощью датчиков 2 перепада давления проточного типа на основе модулей струйно-конвективных преобразователей, расположенных в блоке 7 формирования первичных информативных сигналов по сигналам перепада давления.

Массив давлений подается в осредняюшую полость 12 формирования сигнала по атмосферному давлению для формирования в ней давления p_a, являющегося оценкой атмосферного давления, в соответствии с зависимостью

где - давление, воспринимаемое каждой из приемных трубок полного давления, определяемое зависимостью

где p_м.ст - местное статическое давление; χ_п - коэффициент восстановления давления приемных отверстий полного давления, χ_п ⋁ 0; ρ и V - плотность и скорость воздушного потока на входе в приемную трубку.

Формирование в осредняющей полости 12 давления, близкого к атмосферному, обусловлено тем, что знак коэффициента восстановления давления χ_п определяется угловым положением трубок полного давления ветроприемного устройства 1 относительно направления вектора скорости ветра. Поэтому часть давлений , воспринимаемых трубками полного давления, будет больше, а другая часть - меньше атмосферного давления, и, в результате, в осредняющей полости 12 формируется давление, являющееся оценкой атмосферного давления.

Пространственно-временное осреднение полного давления в осредняющей полости 12 формирования сигнала по атмосферному давлению позволяет получить сигнал атмосферного давления, более помехоустойчивый к вариациям углового положения вектора скорости ветра.

По этой же причине температура в осредняющей полости 14, сообщенной с осредняющей полостью 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, в значительной мере свободна от атмосферных возмущений, характерных для приземного слоя.

Датчик 13 атмосферного давления и датчик 15 температуры, сообщенные со своими осредняющими полостями 12 и 14, формируют сигналы по давлению и температуре , которые подаются на аналого-цифровой преобразователь 4 и используются для формирования массива выходных сигналов, в том числе и по величине вектора скорости V, согласно зависимости

где χ - коэффициент восстановления давления, определяемый конструктивными особенностями ветроприемного устройства 1; g - ускорение свободного падения; R - универсальная газовая постоянная; T_окр - температура воздуха.

Компенсационный датчик температуры 16, конструктивно аналогичный датчикам 2 перепада давлений проточного типа, размещен в глухой камере, сообщенной с осредняющей полостью 12 формирования сигнала по атмосферному давлению, и формирует электрический сигнал, пропорциональный температуре воздуха в этой полости и необходимый для коррекции аддитивной и мультипликативной составляющей погрешности в соответствии с зависимостями

где (T), U_ад.к(T) - напряжения, соответствующие аддитивной составляющей погрешности измерительного и компенсационного датчиков соответственно; U_к - напряжение на выходе компенсационного датчика 16 температуры; - информативная составляющая выходного сигнала-датчиков 2 перепада давления проточного типа (обозначено: γ - коэффициент анемочувствительности; G_i - массовый расход по каналам, содержащим анемочувствительные элементы 20 модуля струйно-конвективного преобразователя; n - показатель степени, определяемый характером течения воздуха в месте расположения анемочувстви-тельного элемента, n≈0,5). Массовый расход определяется зависимостью

где - сопротивление пневматических каналов, содержащих анемочувствительные элементы 20 модуля струйно-конвективного преобразователя.

Сигналы, определяемые зависимостями (4) поступают на вход схем 18 температурной коррекции блока 9 предварительной обработки сигналов, на выходе которых формируются сигналы, определяемые зависимостями

Такое формирование выходных сигналов позволяет в случае близости значений сигналов существенно уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную составляющие температурной погрешности.

На выходе блока 9 предварительной обработки сигналов формируется массив электрических сигналов, который передается на многоканальное АЦП 4 и далее на устройство 5 обработки информации, где происходит функциональная обработка этого массива сигналов в соответствии со следующим алгоритмом.

Алгоритм обработки и формирования результатов измерения параметров вектора скорости ветра (ВСВ), осуществляемый в устройстве 5 обработки информации, состоит из нескольких этапов. Первым этапом в процессе обработки массива на i (где i=1÷8) значений давления является нахождения номера i-й трубки. По номеру трубки проводится определение первого приближения угловой координаты ВСВ в соответствии с выражением

Затем проводится предварительная оценка положения ВСВ относительно i-той трубки полного давления. С этой целью проверяются неравенства: или

или

где p_i-1 и p_i+1 - давление, измеряемое в трубках полного давления, смежных с i-й трубкой.

Следующим этапом обработки является определение точного значения угловой координаты ВСВ в секторе углов:

при выполнении условия (8), и в секторе углов:

при выполнении условия (9).

Численное значение θ определяется на основе решения одного из уравнений вида:

или

где ƒ(θ)) - аппроксимирующие полиномы степени k, вычисленные по результатам предварительной градуировки ветроприемного устройства, и имеющие вид:

По результатам решения уравнений (12) или (13) угловая координата Ψ_k вектора скорости ветра (азимута ветра) в исходной системе координат определяется на основании зависимости:

Ψ_x=Ψ_min±(θ_max-θ_x)t₀

где «+» - перед вторым членом соответствует условию (8); «-» - соответствует условию (9).

После определения направления вектора скорости ветра осуществляется восстановление значения рт, соответствующего модулю вектора. Это вычисление проводиться в соответствии со следующей зависимостью:

где p_i - давление i-й трубке; ƒ(θ₀) - значение функции, описывающей угловую характеристику каждой из “n” трубок полного давления при θ₀=0. Тогда принимается ƒ(θ₀)=1,0 (при расчетах по давлениям от трубок полного давления); ƒ(θ_x) - значение функции для текущего углового положения вектора воздушной скорости.

Следующим шагом находится численное значение модуля ВСВ по зависимости (3).

Полученная информация в виде сигналов по скорости V и направления (азимута) Ψ ветра, атмосферного давления, скорости его изменения, а также температуры атмосферного воздуха и скорости ее изменения подается на средство 6 отображения информации.

Заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность устройства за счет расширения функциональных возможностей и повышения помехоустойчивости функционирования системы.

При этом полученная информация скорости V и направления (азимута) Ψ ветра, атмосферного давления, скорости его изменения, а также температуры атмосферного воздуха и скорости ее изменения характеризуется высокой точностью, достоверностью и метрологической надежностью, а конструкция системы измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое достаточно проста в реализации и надежна в работе.

Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое работает в диапазоне скоростей 1-60 м/с при вариациях направления вектора в диапазоне ±180°, а углов скоса воздушного потока в плоскости, ортогональной плоскости измерения в диапазоне ±30°, а также позволяет получить информацию по скорости изменения давления в диапазоне до 1000 Па/с, по скорости изменения температуры в диапазоне до 20°/c.