Acu-Res®声共振技术

使用了Acu-Res®声共振技术的风传感器

Acu-Res®声共振技术由公司执行主席Savvas Kapartis博士发明,在1997年申请了专利,该技术是用来测量风速和风向的固态技术(没有移动部件)。

Acu-Res® 声共振技术利用声波(超声波)在小型腔室内共振来进行测量。在小空间内的强共振声波所产生的信噪比要比其他超声波技术强出40db。​

Acu-Res®声共振技术为FT公司独有,并且使旗下传感器相比于机械传感器和其他超声波风传感器,具有更为牢固、可靠的测量解决方案。

Acu-Res®声共振测量原理

Acu-Res®声共振技术由三个部分组成:

1.声共振测量系统

下面的简图显示了声共振风速计的基本传感设置。

Acu-Res®声共振测量原理

其基本结构是由被称为上下反射器的一对小平行板组成的设备。在水平方向上,结构是无边界的,空气在反射板之间自由流动。在垂直方向上,空气受到反射板的限制,因而在垂直方向的平均速度可以忽略不计。声波(超声波)由三个分别与压电元件耦合的振动膜片产生和接收。如图所示,膜片呈三角形分布。

在任意时刻,均有一个膜片处于电激励状态。膜片表面产生超声波并向外传播,直至到达上反射器进行近似全反射。由此产生的波前向下运行,到达下反射器并再次反射。超声波继续在反射器之间反弹,直到在空气中能量损失并充分衰减变为不完全反射。实际上,该过程约含有200次反射。

各个反射在一个窄频带中合并,导致信号强度急剧增强。净波分布是复杂的,但它可以被看作是一个垂直的半驻波,而在水平面的行为则像一个两维的径向波。通过以下方式利用声场的这种双重特征:

气流测量是基于驻波行为

任意膜片对之间的净相是指示该膜片对之间沿轴线方向气流的指示。通过三对膜片,可以测量沿三角形(由膜片组成)各边方向的气流分向量。合并这些向量即可得出气流的整体速度和方向。

自动补偿是基于驻波行为

声音在空气中的速度是一个随温度、湿度及气压变化而变化的函数。Acu-Res®声共振为其提供自动补偿,因而无需使用额外的传感器。在运行过程中,通过电子方式调整频率可以使响应最大化并保持共振。在这些条件下,测量行为独立于音速。

此外,共振大大减少了附近的物体上声波反射、湍流等空气动力效应以及流动非均匀性等因素造成的负面影响。振动膜片之间的距离小,允许气流快速通过,而单片式结构则提高了测量精度。气流速度和测得的相位之间呈线性关系。此外,共振的选择性响应,提供了一个“前端调谐滤波器”,极大地提高了信噪比。信号功率保持在极低水平(通常为十分之一微瓦)并且工作信号可以忽略不计。声共振拥有许多其他技术不能企及的优势,下面列出其中一些:

  • 较宽和可扩展的动态范围
  • 相位与空气速度之间的线性响应
  • 精确的速度和方向指示
  • 风对温度、压力和湿度波动的固有补偿
  • 坚固耐用、全密封结构,可以全天候运行以及高实用性
  • 可靠的固态(没有移动部件)结构
  • 体积小、重量轻、便于散热
  • 低能耗

2. Acu-Res®声共振软件

FT Technologies旗下的每一台传感器都预装了先进的声共振(Acu-Res®)软件。

 

这款软件能够进行所有测量风速和风向时所需要进行的复杂计算,同时还能:

  • 持续地调整变频器的信号频率以维持共振
  • 监控数据质量,并将问题反馈给控制器
  • 不间断地检查传感器子系统的运行状况,并操作冗余系统
  • 对加热器能源进行动态控制,以在最低能耗下保持无冰运转
  • 使用用户参数配置逆变器,以满足客户的特殊需求,如数据过滤盒配置输出设置等

Acu-Res®声共振软件是为空气流通领域而专门设计的,并针对实现最佳风项测量应用而进行了优化。

3. 环境保护系统

Acu-Res®声共振环境保护系统(EPS)的设计宗旨是使逆变器能够在极端条件下稳定运转。

空气密度的变化和空气中的颗粒物可能影响转杯风速计的准确性。由于降水和尘埃会反射或扭曲声波脉冲的有效路径,因此飞行仪表的超声波时间可能精度较低。

声音在空气中的速度是一个随温度、湿度及气压变化而变化的函数。采用Acu-Res®声共振技术的传感器能够调整其传输频率以保持共振,因此可以对任何环境变化进行自动补偿。由于声共振软件也可以监测并报告传感器保持共振的能力,因此空气流量测量的质量得到了进一步保证。

EPS能够保证系统在所有气候条件下都具有较高的数据获取率,并经过优化以减少下列气候条件造成的影响:

  • 雷击与电磁兼容性(EMC)
  • 灰尘与风沙
  • 日照辐射
  • 暴雨
  • 海水
  • 降雪、冻雨及冰冻
  • 冰雹
  • 物理冲击
  • 震动
  • 腐蚀
  • 气候变动及老化

EPS可通过组装下列各种零部件来确保较高的可用性:

  • 坚固、抗腐蚀,并可轻易且稳定地进行热量传输的固态阳极化铝合金机身
  • 在产品内部和连接器上所使用的,可阻挡风沙、尘土和水的密封系统
  • 浪涌保护电子装置,可提高传感器对雷击所引起的电压电流的大幅瞬变的抵抗能力
  • 三台加热装置,来维持产品温度的稳定,防止其结冰
  • 超疏水涂层,有助于传感器的清洁与干燥
  • 加速生命周期测试可确保传感器能够承受温度和震动的极端变化

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Acu-Res®声共振技术所具有的这些优势就是FT公司旗下FT7系列产品成为全球最为坚固的风传感器的原因。

欧洲专利号码:EP 0 801 311;美国专利号码:5,877,416

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