5~fZJ~
~'invention concerne un anemometre ultrasonore.
~es moyens proposés jusqu'à présent pour effectuer cette mesure reviennent a des mesures de phase ou de temps de propagation d'ondes elastiques, aucune solution statique n'ayant été proposée pour compenser les variations de caracté-ristiques physiques du milieu de propagation dans le cas d'une mesure en milieu non confiné.
D'autres appareils utilisent l'effet Doppler en milieu confiné, leurs extensions aux mesures de vitesse de vent semblant impossibles, de même que la prise en compte des condi-tions de propagation locale.
La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes à l'aide d'un systeme simple et statique et a pour objet non limitatif la mesure de la vitesse et de la direction du vent en milieu non confiné.
Elle concerne un anémomètre ultrasonore comprenant trois couplesémetteur-rëcepteur, l'émetteur et le récepteur de chaque couple étant sépares d'une distance déterminée selon un de trois axes formant entre eux des angles connus, un générateur d'onde ultrasonore étant electriquement couplé auxdits emetteurs et excitant lesdits emetteurs pour produiredes ondes acoustiques, une structure de support constituée par trois anneaux delimitant une sphère, chacun des couples emetteur~
recepteur étant fixé en position diamétralement opposée sur chacun des anneaux de fason ~ ce que les emetteur et récepteur des trois paires soient diamétralement opposés sur la sphère, un phasemetre étant couplé ~ chaque récepteur, un calculateur recevant les signaux desdits phasemetres pour déterminer la vitesse du vent.
L'invention est représentée, a titre d'exemple non limitatif, sur les dessins ci-joints, dans lesquels:
.
- la figure 1 illus~re de manière schématique un premier mode de réallsation de la structure mécanique de l'anémomètre 9 - la figure 2 est un diagramme définissant la vitesse et la direction du vent en fonction de llangle d'azimut et de 19 angle de site 9 la figure 3 illustre un mode de réalisation sphérique de la structure mécanique de l'anémomètre ;
~ la ~igure 4 est une vue en coupe partielle représentant le mode d~assemblage d~un émet~eur ou d'un récepteur sur la structure de support 9 -- la figure 5 est une vue de gauche de la figure 4 9 - la figuxe 6 est un schéma synoptique de la *ete .~ à ultrasons 9 lS - la figure 7 représente le bloc-diagramme de llélectronique d9acquisition divisé en quatre modules identiquesO
L'invention a~ en consé~uence7 pour but la mesure simultanée du déphasage en~re émission et réception d~une onde élastique harmonique dans quatre directions distinctes de l'espaceO Dans le système décrit à titre non limitatif~ trois directions forment un trièdre trirectangle~ la quatrième étant ; la trissectrice du trièdreO La mesure du déphasage total et le traitement de ces quantités permettent ensuite de définir la vitesse et la direction du vent 9 par exemple sous forme du module e* des deux angles de slte ~ et d~azimut ~ .
On retrouve9 sur la figure 17 la disposition de prinsipe dans un cas non limitatlfO On utilise en effet comme direction de propagation des ondes élastiques 9 les trois axes d'un trièdre trirestangleO Le déphasage entre émission et ; 30 réception pour une distance entre émetteur et récepteur est ~ donnée par o (1) ~ + Vx ~ ~
~ (2) ~ 2 2 ~ ~ Vy ~
~ 2n~
~3~ ~ E3 R3 ~ + V
.
. .
3 3L~
n~ 1 ~4~ ~ ~ ~ + ~ V
expressions dans lesquelles ~
T est la période t~mporelle ~e l'onde elastiqueD
~ est la distance qui sépare émetteurs et récep-teurs (ces distances ~ pouvant éventuellement ne pas etre égales 9 elles sont cependant prises égales dans le p~ésent exemple non limitatif).
~ est la vitesse de propagation de l'onde élas-tique dans le milieu à vitesse de vent nulle.
V g Vy et Vz étant les composantes du vecteur qui représente la vitesse sur les ~rois axes du trièdre OX~
~y9 OZo V~ étant la composante du vecteur qui représente la vitesse suivant l~axe 05.
Dans ces ronditions 9 on a 0 ~ (5) Vs = (V~ ~ ~y + Vz) V'~
On a donc un sys~me linéaire de quatre équations à quatre inconnues Vx9 Vy~ Vz~o _ (~) ~ + VX = K~ 91 . ~ ~ Vy ~ ~ 2 ~ ~ V~ = K~ ~3 L~r ~ V = K~
systeme dans lequel o t7) K ~ 2n Q
: 30 (a) ~
, (9) ~ 2 ~ ~ 2 ~ V~
'3 = ~ - ~ :
3 3 ~ V~
'4 = ~
:
.
. ~ , ^
'`' - ; ' .
~ 5~
e~pressions dans lesquelles les quantités ~17 ~z~ e'cc. sont des quantïtés mesurées~ Il est à noter que ces dephasages mesurés sont les déphasages totaux entre ondes émises et ondes reçues dans les quatre directions considérées.
La résolution du système 6 permet de calculer Vx, Vyg Vz et on trouve :
(1 ) V~ / ( 3~r3 ~ +
(13) Vy - ~ ~1 r~~ ~1 + (2 ~ ~ 2 ~ ~'3 + ~'4 7 (14) Vz - ~ ~~ -~3 ~'1 ~ ~33 ~'2 + (2~ ~ '3 ~ ~'4 ~7 ce qui permet de définir vitesse et direction du vent comme convenu précédemment pas (voir figure 2) :
, module ~ = V Vx2 ~ Vy2 ~ Vz2 angle d'azimut : ~ ~ Arc tg (~ ) angle de site : ~ Arc t~ / ~ 2 ~ v~2 ~
Les quatre couples de palpeurs émetteurs récepteurs sont de préférence disposés à la périph~rie d'une structure sphérique afin de supprimer les pr~blèmes d'aérodynamisme. Cette structure sphérique est constituée de tubes soudés en matériau à faible coefficient de dilatation et nota~ment en INVAR.
La igure 3 représente le principe du dispositif dans lequel une rotation adéquate autour de l'axe de E2 R2 permet de se limiter à trois grands cercles de la sphère. Dans cette disposition non limitative, les ensembles ElRl 9 ~2R2 9 R3 sont disposés suivant les axes d'un trièdre trirectangle et E4R4 suivant la trissectrice du trièdre. Par eonstruction9 dans cette disposition non limitative, les distances entre palpeurs-émetteurs et récepteurs sont toutes égalesO
A titre d'exemple non limitatif de réalisation technologique, la figure 4 repr~sente le détail de la fixa~ion d'un transducteur sur un tube d~ la structure.
Dans cet exemple, le tube 1 constituant ~hacun "'' , , .
S~
des anneaux de la structure sphérique re~oit J par l'intermédialre d~un dispositif de fixation 29 un bloc amortisseur 3 et ~otamm~nt en RYTON 9 ce bloc amortisseur recevant lui-meme l~ém~*eur PE
ou le réeepteur PR d'un couple.
Le support 2 est réalisé en deux demi~coquilles 219 22 assemblées à l'aide de vis 4~ tandis que le bloc amortis-seur 3 est fixé à l'aide d'une vis 5 au support 2 par l'i~ter-médiaire d'une bague en laiton.
La figure 6 montre le plan synoptique de la tete à ultrasons qui vient d'être décrite. Les txansducteurs possèdent tous des caractéristiques physiques identiques et sont associés par paire (PEl avec PRlg etc.). Les quatre transducteurs P~ son~
a~fectés à la génération dlondes ultrasonores sous l~action de la stimulation d'une onde électrique convenable produi~e au sein du générateur ~, tandis que les quatre récepteurs PR sont entre-tenus en vibration par l'onde acoustique ultrasonore qu'ils : reçoivent chacun du transducteur-émetteur PE placé en regard~
En vibrant, chaque transducteur PR développe une tension électrique ~ui est adaptée en impédance par l~adaptateur A afin d'éviter les phéno~ènes de charge dus aux cables de liaisonO ~haque transducteur PE ou PR connu en lui~meme est réalisé à partir d'une pastille en céramique piézoélectrique collée sur la face interne d'une coupelle métallique formant résonateur et on s'arrange pour que la fréquence de résonance du transducteur ainsi constitué qui dépend :
- de l'épaisseur du diaphragme de la coupelle, - du diamètre intérieur de la coupelle ~étallique et des dimensions du disque de la céramique piézoélectrique, soit la meme pour tous les transducteurs.
La figure 7 m~ntre le bloc diagramme de l'élec-tronique dlacquisition divisé en quatre modules identiques Ml, M2 9 M3 et M4 répondant aux sollicitations des quatre voies ultrasonores de la tête de mesure~ Dans le but d'alléger le dessin7 une seule de ces voies V4 a été figurée et, en raison de l'identité des modules électroniques, un seul sera décrit ~4).
Le récepteur R4 reçoit la ~aible tension alter-native qui se développe aux bornes de sortie de l'adaptateur d'impédance A4~ Cette tension est portée a un niveau convena~le ; et filtrée par les circuits du récepteurO Le signal de sortie du récepteur est alors transmis à l'entrée du phasemètre ~ 4 : ' . .
st~
qui a charge 0 1) d'élaborex une tension analogique proportlon~
nelle au déphasage limité à 360~ en~re l'onde de référence ~ ref prélevée sur 17émetteur E4 et llonde rec,ue (partie fractionnaire du déph~sage) 9 5 ~ fZJ ~
~ The invention relates to an ultrasonic anemometer.
~ es the means proposed so far to perform this measurement come back to phase or time measurements elastic wave propagation, no static solution have not been proposed to compensate for variations in character physical characteristics of the propagation medium in the case of a measurement in an unconfined environment.
Other devices use the Doppler effect in confined environment, their extensions to wind speed measurements seem impossible, as well as taking into account local propagation.
The object of the present invention is to resolve these problems using a simple and static system and for non-limiting object the measurement of speed and direction wind in an unconfined environment.
It relates to an ultrasonic anemometer comprising three transmitter-receiver pairs, the transmitter and receiver each couple being separated by a distance determined according to a of three axes forming known angles between them, a generator of ultrasonic wave being electrically coupled to said transmitters and exciting said transmitters to produce waves acoustic, a support structure made up of three rings delimiting a sphere, each of the emitting couples ~
receiver being fixed in diametrically opposite position on each of the way rings ~ what the transmitter and receiver of the three pairs are diametrically opposite on the sphere, a phase meter being coupled ~ each receiver, a computer receiving the signals from said phase meters to determine the wind speed.
The invention is shown, by way of example nonlimiting, on the attached drawings, in which:
.
- Figure 1 illus ~ re schematically a first mode of reallation of the mechanical structure of the anemometer 9 - Figure 2 is a diagram defining the wind speed and direction as a function of the azimuth angle and 19 elevation angle 9 FIG. 3 illustrates an embodiment spherical of the mechanical structure of the anemometer;
~ la ~ igure 4 is a partial section view representing the method of assembling a transmitter or a receiver on support structure 9 - Figure 5 is a left view of Figure 4 9 - figuxe 6 is a block diagram of the * summer . ~ ultrasonic 9 lS - figure 7 represents the block diagram of acquisition electronics divided into four identical modules The invention has ~ in cons ~ uence7 for measurement purpose simultaneous phase shift in ~ re transmission and reception of a wave elastic harmonic in four distinct directions of espaceO In the system described without limitation ~ three directions form a triangular trihedron ~ the fourth being ; the trissector of the trihedron O The measurement of the total phase shift and the processing these quantities then allow to define the wind speed and direction 9 for example as a module e * of the two angles of slte ~ and azimuth ~.
We find9 in Figure 17 the arrangement of prinsipe in a non limitatlfO case We use indeed as direction of propagation of elastic waves 9 the three axes of a trirestangleO trihedron The phase shift between emission and ; 30 reception for a distance between transmitter and receiver is ~ given by o (1) ~ + Vx ~ ~
~ (2) ~ 2 2 ~ ~ Vy ~
~ 2n ~
~ 3 ~ ~ E3 R3 ~ + V
.
. .
3 3L ~
n ~ 1 ~ 4 ~ ~ ~ ~ + ~ V
expressions in which ~
T is the period t ~ mporelle ~ e the elastic wave D
~ is the distance between transmitters and receivers teurs (these distances ~ possibly possibly not to be equal 9 they are however taken equal in the p ~ present non-limiting example).
~ is the speed of propagation of the elas wave-tick in the environment at zero wind speed.
V g Vy and Vz being the components of the vector which represents speed on the ~ three axes of the OX trihedron ~
~ y9 OZo V ~ being the component of the vector which represents the speed along the axis 05.
In these 9 rounds we have 0 ~ (5) Vs = (V ~ ~ ~ y + Vz) V '~
So we have a linear system of four equations to four unknowns Vx9 Vy ~ Vz ~ o _ (~) ~ + VX = K ~ 91 . ~ ~ Vy ~ ~ 2 ~ ~ V ~ = K ~ ~ 3 L ~ r ~ V = K ~
system in which o t7) K ~ 2n Q
: 30 (a) ~
, (9) ~ 2 ~ ~ 2 ~ V ~
'3 = ~ - ~:
3 3 ~ V ~
'4 = ~
:
.
. ~, ^
'''-;'' .
~ 5 ~
e ~ pressures in which the quantities ~ 17 ~ z ~ e'cc. are measured quantities ~ It should be noted that these phase shifts measured are the total phase shifts between emitted waves and waves received in the four directions considered.
The resolution of system 6 makes it possible to calculate Vx, Vyg Vz and we find:
(1) V ~ / (3 ~ r3 ~ +
(13) Vy - ~ ~ 1 r ~~ ~ 1 + (2 ~ ~ 2 ~ ~ '3 + ~' 4 7 (14) Vz - ~ ~~ - ~ 3 ~ '1 ~ ~ 33 ~' 2 + (2 ~ ~ '3 ~ ~' 4 ~ 7 which allows to define wind speed and direction as previously not agreed (see Figure 2):
, module ~ = V Vx2 ~ Vy2 ~ Vz2 azimuth angle: ~ ~ Arc tg (~) elevation angle: ~ Arc t ~ / ~ 2 ~ v ~ 2 ~
The four pairs of transmitter-receiver probes are preferably arranged at the periphery of a structure spherical in order to remove the aerodynamic pr ~ problems. This spherical structure consists of welded tubes of material with low coefficient of expansion and nota ~ ment in INVAR.
Figure 3 shows the principle of the device in which adequate rotation around the axis of E2 R2 allows you to limit yourself to three large circles of the sphere. In this nonlimiting arrangement, the ElRl 9 ~ 2R2 9 assemblies R3 are arranged along the axes of a trirectangle trihedron and E4R4 following the trissector of the trihedron. By eonstruction9 in this non-limiting provision, the distances between probe-emitters and receivers are all equal O
By way of nonlimiting example of embodiment technological, Figure 4 shows ~ feel the detail of the fixa ~ ion of a transducer on a tube d ~ structure.
In this example, the tube 1 constituting ~ none "'' , , .
S ~
rings of the spherical structure re ~ oit J through the intermediary d ~ a fixing device 29 a damper block 3 and ~ otamm ~ nt in RYTON 9 this damper block itself receiving the ~ em ~ * eur PE
or the PR receiver of a couple.
The support 2 is made in two half ~ shells 219 22 assembled using 4 ~ screws while the damping block seur 3 is fixed with a screw 5 to the support 2 by the i ~ ter-medial of a brass ring.
Figure 6 shows the synoptic plan of the head which has just been described. Txansductors have all have identical physical characteristics and are associated per pair (PEl with PRlg etc.). The four transducers P ~ son ~
a ~ affected to the generation of ultrasonic waves under the action of stimulation of a suitable electric wave produced within of the generator ~, while the four PR receivers are held in vibration by the ultrasonic acoustic wave that they : each receive the PE transducer-transmitter placed opposite ~
By vibrating, each PR transducer develops a electrical voltage ~ ui is impedance matched by the adapter A in order to avoid the charge phenomena due to the cables of liaisonO ~ each PE or PR transducer known in itself ~ is made from a piezoelectric ceramic chip glued to the internal face of a metal cup forming resonator and we arrange for the resonant frequency of the transducer thus formed which depends:
- the thickness of the diaphragm of the cup, - the internal diameter of the cup ~ metallic and the dimensions of the piezoelectric ceramic disc, the same for all transducers.
Figure 7 m ~ nter the block diagram of the elect acquisition board divided into four identical Ml modules, M2 9 M3 and M4 responding to the demands of the four channels ultrasonic measurement head ~ In order to lighten the drawing7 only one of these V4 channels has been figured and, due of the identity of the electronic modules, only one will be described ~ 4).
The R4 receiver receives the ~ low alternating voltage native which develops at the output terminals of the adapter impedance A4 ~ This voltage is brought to a suitable level ~ the ; and filtered by the receiver circuits O The output signal from the receiver is then transmitted to the input of the phase meter ~ 4 : '. .
st ~
who loaded 0 1) elaborate a proportlon analog voltage ~
phase shift limited to 360 ~ in ~ re the reference wave ~ ref taken from 17 E4 transmitter and llonde rec, eu (fractional part deph ~ sage) 9
2) de totaliser en ~ ou en - le nombre de période~
entières dépassant par excès ou par défaut un état d'origine axbitrairement établi. Les résultats des mesures de phase 5 9 inscrivent respectivement sur un voltmètre numérique à trois chiffres per~ettant par conséquent la lecture au degré près et sur un compteur afficheur à deux décades portant à ~ 99 x 360~
19étendue de mesure de la partie entière du déphasage~ La somme algébrique relevée sur les afficheurs affectés à ~hacune des . quatre voies de mesure sont les quantités ~91 (8) à ~94 (11) qui serviront de base aux calculs de vitesse et de directi~n du vent~
Dans le but de réaliser une mesure simultanée sur les quatre voies de ~esure, on dispose d'un bloc de synchronisation à commande ajustable. 2) to total in ~ or in - the number of period ~
integers exceeding by default or by default an original state axially established. The results of the phase measurements 5 9 register respectively on a digital three voltmeter figures per ~ being therefore reading to the nearest degree and on a two decade display counter bringing to ~ 99 x 360 ~
19 extent of measurement of the whole part of the phase shift ~ The sum algebraic noted on the displays assigned to ~ each of the . four measurement channels are the quantities ~ 91 (8) to ~ 94 (11) which will be used as a basis for the speed and direction calculations of the wind ~
In order to perform a simultaneous measurement on the four ~ esure channels, we have a synchronization block with adjustable control.