Измерение скорости и направления ветра - одна из главнейших задач метеорологии, поэтому разработка устройств, измеряющих характеристики ветра, актуальна и по сей день. Исторически первые датчики ветра были механическими, анемометр предназначался для измерения скорости ветра, а флюгер - направления. Впоследствии появились другие типы датчиков ветра, к которым можно отнести тепловые, барометрические и ультразвуковые анемометры.
Главным недостатком механических датчиков ветра является их инерционность, а также необходимость регулярного обслуживания либо замены движущихся частей. Типичная точность механического анемометра не превышает 0.5 м/с, при этом порог страгивания может быть порядка 1 м/с; показание флюгера может быть неадекватно, т.к. при резком порыве ветра флюгер приходит в колебательное движение. Тепловые анемометры (также называемые термоанемометрами) используют изменение величины тепловых потерь нагретого тела в зависимости от скорости обдувающего более холодного газа. Они весьма компактны, практически безынерционны, но обладают низкой механической прочностью. Чаще всего применяются в автомобилях в качестве датчиков массового расхода воздуха (ДМРВ). Барометрические анемометры измеряют скорость ветра в зависимости от разности давлений между двумя близкими точками пространства, поэтому, как правило, годятся для измерения относительно высоких скоростей ветра.
Принцип работы ультразвукового анемометра основан на измерении времени распространения ультразвукового сигнала между излучателем и приёмником в зависимости от скорости ветра. Очевидно, что при распространении ультразвука вдоль направления ветра скорость звука будет складываться со скоростью ветра, а при распространении против ветра - вычитаться. Ультразвуковой анемометр комбинирует в себе функции механического анемометра и флюгера, т.е. измеряет как скорость ветра, так и его направление. При этом он лишён движущихся частей, прост в обслуживании и нетребователен к условиям эксплуатации. При этом стоит отметить, что ультразвуковые анемометры гораздо сложнее в разработке и изготовлении, чем механические. Поэтому разработка недорогих ультразвуковых анемометров, не уступающих по точности существующим аналогам, является актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка ультразвукового анемометра, имеющего низкую себестоимость, высокую точность измерений в широком диапазоне температур, в том числе в зимних условиях. В рамках выполнения работы должна быть разработана плата ультразвукового анемометра, написана программа, реализующая измерения и калибровку. Собранный образец должен пройти испытания с целью снятия точностных характеристик, а также проверки на стабильность и надёжность работы.
В результате выполнения работы разработан прототип ультразвукового анемометра, использующий фазовый метод измерений. Этот прототип осуществляет измерение мгновенной и усреднённой скоростей ветра, максимальный порыв и направление ветра. Проведены различные тестирования собранных образцов, а именно: испытания в климатической камере, испытания в аэродинамической трубе и испытания в полевых условиях. Испытания показали, что прибор удовлетворяет заявленной точности, но с оговоркой, что в случае его эксплуатации при отрицательных температурах необходимо использование подогрева корпуса.
Себестоимость изделия оценивается примерно в 5-7 тыс. рублей. В эту сумму входит только стоимость алюминиевого корпуса и платы с компонентами без затрат на сборку и калибровку. Такая низкая себестоимость означает, что датчик сможет иметь конкурентоспособную цену на современном рынке, и серийное производство этих датчиков будет экономически выгодно.
