Учебное пособие Нижний Новгород 2015 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное

Ультразвуковые анемометры

Одними из наиболее точных из существующих средств измерения скоро- сти движения воздушного потока v_воз, м/с, являются ультразвуковые анемомет- ры. Ультразвуковые анемометры имеют от одной до трех пар преобразователей (излучателей/приемников) и измерительную цепь для определения времени распространения ультразвуковой волны на малом пути L = 100…250 мм.

Первые модели ультразвуковых преобразователи определяли скорость потока воздуха по времени распространения ультразвука из фазового сдвига между непрерывными передаваемыми и принимаемыми сигналами. Данный метод в настоящее время не используется, так как преобразователи чувстви- тельны не только к сигналам излучателей, но и к сигналам близко расположен- ных объектов (отражателей), а также к резким порывам ветра.
Значительно снизить влияние приведенных недостатков удалось путем применения ультразвуковых анемометров импульсного принципа действия, ко- гда преобразователи попеременно излучают и принимают короткие импульсы с несущей частотой 20…200 кГц. Данная схема (рис. 7.11 а, б) позволяет опреде- лить продольную скорость воздуха v_возL, м/с [38]:
L ^ 1 1 ^


^vвозL
_  _


2 ^ t _f t_r
^ , (7.18)


где L – расстояние между преобразователями, м; t_f, t_r – время распространения ультразвуковой волны в прямом и обратном направлении между излучателями, с.
В том случае, если не известно направление воздушного потока, применяют три пары преобразователей, а значение скорости рассчитывают по формуле

^vвоз
^ , (7.19)

где v_x, v_y, v_z – проекции вектора скорости воздушного потока через точку изме- рения в трехмерной системе координат, м/с, равные горизонтальной состав- ляющей скорости, определяемой каждой парой преобразователей.

Из формул (7.18), (7.19) видно, что при совпадении направления оси ультразвукового анемометра с направлением движения воздуха v_воз = v_возL.

Ультразвуковые преобразователи и поддерживающая их арматура явля- ются препятствиями для воздушного потока и вызывают его искажение и экра- нирование. Наибольшим значениям погрешности измерения соответствует па- раллельное направление измерительного пути и воздушного потока, в данном случае относительная погрешность измерения может достигать 20 %.
Ультразвуковые анемометры подразделяются на бистатические и моно- статические. Первые в свою очередь делятся на системы с одним и с двумя из- лучателями (рис. 7.11 в). В бистатических анемометрах один из преобразовате- лей всегда является излучателем, а второй приемником ультразвуковых им- пульсов, что приводит к снижению точности измерений времени прохождения сигналов вследствие различной степени загрязнения поверхностей преобразо- вателей, вызывающих различные временные задержки ∆t_f ≠ ∆t_r. Для измеренно- го времени прохождения сигнала справедливы зависимости
^t _f ^{ t} _{fдейств} ^{ t} _f , (7.20)
^{tn  trдейств  tr} , (7.21)


где t_{fдейств}, t_{rдейств} – действительные значения времени распространения ультразву- ковой волны в прямом и обратном направлении между преобразователями, с;
∆t_f, ∆t_n – временные задержки, вызванные загрязнением преобразователей, с.
Большинство современных ультразвуковых анемометров являются моно- статическими (рис. 7.11, г), в них каждый из преобразователей попеременно яв- ляется и излучателем, и приемником, что приводит к равенству временных за- держек ∆t_f = ∆t_n и позволяет добиться меньшей чувствительности к загрязнени- ям вследствие взаимного обмена функций излучения и приема.
Ультразвуковые анемометры с двумя парами преобразователей применя- ются для измерения скорости горизонтального ветра (рис. 7.11, д), а с тремя – для измерения скорости и направления ветра в пространстве (рис. 7.11, е).
Основной областью применения данных анемометров являются метеона- блюдения. Анемометры, оборудованные цифровыми процессорами, рассчиты- вают температуру исследуемого воздушного потока. Отдельные модификации анемометров имеют колпак для защиты от атмосферных осадков (рис. 7.11, ж).

Рис. 7.11. Ультразвуковые анемометры (а – одномерный анемометр; б – принципи- альная схема одномерного анемометра; в – схемы бистатических анемометров; г – схемы моностатических анемометров; д – двухмерный анемометр; е – трехмерный анемометр; ж – двухмерный анемометр с защитой от осадков): 1 – преобразователь; 2 – поддерживаю- щая арматура; 3 – стакан с цифровым процессором; 4 – излучатель; 5 – приемник; 6 – колпак

6.