Светолокационный измерительный преобразователь расстояния до нижней границы облаков
Неблагоприятная
экологическая обстановка на территории Российской Федерации требует уделения
особого внимания вопросам охраны природы и экологического воспитания. Контроль
за воздействием от хозяйственной деятельности человека на окружающую среду и
природный комплекс - необходимая составная часть мероприятий по улучшению
использования природных ресурсов. Многие отрасли промышленности, сельского
хозяйства в большой степени зависят от четкости, оперативности работы и
надежности прогнозов федеральной системы наблюдений и контроля за окружающей
средой. Оперативность и своевременность подачи штормовых предупреждений,
заблаговременный прогноз опасных и особо опасных явлений погоды являются
неотъемлемой частью успешной и безопасной работы многих отраслей хозяйства и
транспорта, а долгосрочные метеорологические прогнозы играют решающую роль в
организации сельскохозяйственного производства.
Одним из важнейших
параметров, определяющих возможность прогнозирования опасных погодных явлений,
является высота нижней границы облаков.
Принцип измерения высоты
нижней границы облаков, использующийся в измерители высоты облачности ИВО-1М и
регистраторе РВО-2.
Под высотой облаков в
метеорологии понимают высоту их нижней границы над поверхностью земли. В
основном измеряют высоту облаков среднего и нижнего ярусов ( не выше 2500 м.).
При этом определяется высота самых нижних облаков. При тумане высота облаков
принимается равной нулю, и в аэропортах в данных случаях измеряется
“вертикальная видимость”. В основу измерения высоты нижней границы облаков в
ИВО-1М и РВО-2 положен метод светолокации.
Этим методом высота нижней
границы облаков определяется по времени прохождения светом пути от излучателя
света до облака и обратно. Высота облаков Н определяется по формуле:
где - скорость света
- время прохождения
света до облака и обратно.
Световой импульс посылается
излучателем и после отражения принимается приемником. Излучатель и приемник
располагаются в непосредственной близости друг от друга.
Принцип работы измерителя и
регистратора нижней границы облаков.
1.
Измеритель высоты нижней границы облаков ИВО-1М.
ИВО-1М состоит из
передатчика и приемника световых импульсов, пульта управления и комплекта
соединительных кабелей. Приемник и передатчик устанавливаются на открытой площадке
на расстоянии 8-10 метров друг от друга. Передатчик и приемник аналогичны по
конструкции и содержат параболические зеркала, защитные стекла и крышки,
которые перед измерениями поднимаются при помощи электродвигателей.
В качестве источника
световых импульсов используется троботрон типа ИСШ-100. Мощные световые
импульсы прямоугольной формы длительностью около 1мс и частотой 20Гц излучаются
вертикально вверх. Часть рассеянной облаком энергии( световые импульсы с
гармониками, кратными основной частоте сигнала) возвращается к приемнику и
преобразуется фотоэлектронным умножителем ФЭУ-1 в электрические импульсы.
Непосредственно в приемнике расположен предварительный широкополосный
усилитель. который позволяет уменьшить влияние помех при передаче сигнала к пульту
управления, расположенному в помещении на расстоянии до 50 м. от
приемопередатчика.
С помощью пульта
управления, содержащего электронно-лучевую трубку, оператор может вручную
измерять время запаздывания эхо-сигнала, отраженного облаком, относительно зондирующего
сигнала, излученного передатчиком. Измерение производится с помощью схемы
компенсации, которая содержит регулируемый источник питания и позволяет менять
напряжение на правой по схеме пластине ЭЛТ (рис.1).
Поворачивая ручку
потанциометра , на которой закреплен указатель шкалы высот, оператор
компенсирует напряжение, поступающее от генератора развертки на левую пластину
ЭЛТ. Напряжение на выходе генератора развертки за один период излучения
возрастает пропорционально времени, прошедшему с момента излучения зондирующего
сигнала, и по достижении некоторого уровня, соответствующего диапазону
измерения, возвращается к исходному уровню. В соответствии с этим электронный
луч пробегает вдоль экрана ЭЛТ слева на право с частотой излучения 20 раз в
секунду.
Рис.1
Блок- схема ИВО-1М.
передатчик приемник
8-10 м.
1 2
ЭЛТ
3
4 5
6
пульт
управления
может
стыковаться с ДВ-1М
1-схема
компенсации 4-генератор меток
2-видеоусилитель 5-АРУ
3-генератор
разразвертки 6-блок питания
Такая частота повторения
ЭЛТ позволяет наблюдать на экране непрерывно-светящуюся картину развертки луча
трубки. При наличии эхо-сигнала. поступающего на нижнюю пластину ЭЛТ от
видеоусилителя, на линии развертки появится импульс, положение которого относительно
линии развертки соответствует запаздыванию эхо-сигнала по отношению к
зондирующему. Это запаздывание пропорционально высоте облаков. Отсчет высоты
облаков производится оператором после установки середины переднего фронта
эхо-сигнала на вертикальную черту в центре экрана.
В пульте управления имеется
также схема АРУ, которая позволяет поддерживать неизменной амплитуду
эхо-сигналов во всем диапазоне измерения. Генератор меток предназначен для
периодической проверки сохранности градуировки шкалы высот в условиях
эксплуатации.
Приемник и передатчик должны
устанавливаться на расстоянии не менее 200 метров от радиолокационных станций и
не менее 500 метров от средневолновых радиостанций.
2.Регистратор
нижней границы облаков РВО-2.
Регистратов высоты
облачности РВО-2 является усовершенствованным вариантом ИВО-1М, имеет лучшие
эксплуатацинно-технические характеристики и более широкие возможности
применения.
В РВО-2 улучшена шкала
высот. Она разбита на десятки метров, что позволяет произвести считывание
показаний о ВНГО с погрешностью не более 5 метров. За счет уменьшения
длительности светового импульса, увеличения напряжения на конденсаторе
основного разряда импульсной лампы, увеличения крутизны фронтов светового
импульса передний фронт сигнала на ЭЛТ пульта управления круче - это
обеспечивает более точное измерение ВНГО. Но указанный режим питания импульсной
лампы значительно снижает ее ресурс.
РВО-2 электромагнитно
совместим с радиотехническими средствами и не имеет таких ограничений по
установки приемника и передатчика, как ИВО-1М.
Для устранения запотевания и
обмерзания стекол приемника и передатчика обеспечено их подогревание
обогревательным элементом мощностью порядка 200 Вт.
РВО-2
комплектуются в 3-х вариантах:
· в первый вариант
(РВО-2) входят: передатчик, приемник световых импульсов и пульт управления;
· во второй
вариант(РВО-2-01) входят: передатчик и приемник световых импульсов, пуль
управления, регистратор. Этот вариант обеспечивает измерение ВНГО до 2000
метров и автоматическую регистрацию ее до 1000 метров при расположении пульта
управления и регистратора на расстоянии до 50-70 метров от места установки
передатчика и приемника;
· в третий вариант
(РВО-2-02) входят: передатчик и приемник световых импульсов, пульт управления,
регистратор и выносной пульт. Этот вариант дает возможность измерять и
регистрировать ВНГО так же, как и РВО-2-01, и измерять и регистрировать ВНГО до
1000 м. по самописцу выносного пульта при расположении последнего на расстоянии
до 8 км. от места установки передатчика и приемник.
Погрешность измерений ВНГО у
РВО-2 такая же, как и у ИВО-1М. РВО-2-01 и РВО-2-02 обеспечивают
автоматическое измерение и регистрацию ВНГО через 15, 30 или 60 минут в
соответствии с установкой “интервал”, при необходимости возможна регистрация
ВНГО с интервалом в 3 минуты и непрерывная регистрация втечение 1,5 минуты.
3.
Приставка ДВ-1М.
Дистанционная приставка
ДВ-1М предназначена для дистанционного измерения ВНГО в комплекте с ИВО-1М или
РВО-2 и передачи в канал связи результатов измерений (структурная схема на рис.
2).Основными узлами приставки являются: блок преобразования и блок логической
обработки.
Блок преобразования
позволяет получить на логическом выходе напряжение постоянного тока,
прямопропорциональное времени запаздывания эхо-сигнала относительно
зондирующего импульса. С этой целью в блоке преобразования последовательно
соединены ждущий мультивибратор, генератор пилообразного напряжения и пиковый
детектор.
Особенностью схемы ДВ-1
является наличие дополнительного пикового детектора и схемы сравнения выходных
напряжений двух пиковых детекторов. Такая схема позволяет осуществлять
логическую фильтрацию результатов измерений на выходе устройства по критерию
отношения сигнал/помеха. При отсутствии помехи и наличии эхо-сигнала на входе
устройства на выходе обоих пиковых детекторов оказываются равными. Если же
облаков нет и отсутствует шумовая помеха (например, при измерениях ночью), то
различие напряжений на выходах детекторов будет максимальным. При этом пиковый
детектор 1 отключен от ГПИ, который в этом случае формирует импульсы
максимальной амплитуды на входе пикового детектора 2. При наличии эхо-сигнала и
помехи разность напряжений на пиковых детекторах будет тем больше, чем больше
уровень помехи. Такая структурная схема обеспечивает надежную защиту от шумов
фоновой засветки без снижения чувствительности к полезным сигналам. Это
происходит потому, что при наличии низкой облачности уровень фоновой засветки
резко снижается, что и гарантирует достаточно высокий уровень отношения
сигнал/шум.
Удаление ДВ-1М от места
установки ИВО-1М или РВО-2 до 5 километров.
Основные
нормативно-технические характеристики ИВО и РВО.
Параметры
|
Значения
|
Диапазон измерений
расстояния до светоотражающей поверхности твердой мишени, м
|
от 50 до 450
|
Предел допускаемой
погрешности измерителя, м
50-150 м
150-500 м
|
не более (0,1Н+5)
не более (0,074Н+10)
|
Диапазон измерения времени
( ) прохождения световым импульсом расстояние Н до отражающей поверхности и
обратно, нс
|
от 333 до 3000
|
Предел допускаемой
погрешности в диапазоне
333-1000 нс
|
не более (0,1 +33)
не более (0,07 +67)
|
Полный диапазон измерений
расстояния до НГО, м
|
от 50 до 2000
|
Поверка светолокационного
преобразователя ИВО.
При проведении поверки выполняются следующие
операции:
1.внешний осмотр;
2.опробование;
3.определение
метрологических параметров.
Средства и условия поверки.
При проведении поверки применяются следующие
средства поверки:
· комплект образцовых
линий задержки электрического сигнала на 200, 333, 533, 867, 1400, 2133 и 3000
нс, с погрешностью указанной в таблице (см. ниже);
· вольтметр
переменного тока для измерения напряжений питающей сети 1-го класса.
Нормативно-технические
характеристики комплекта образцовых кабельных линий задержки для поверки
преобразователей типа ИВО и РВО.
время задержки сигнала
( ), нс
|
предел допускаемой
погрешности определения
( ), нс
|
имитируемая высота,
м
|
200
|
13
|
28-32
|
333
|
16
|
48-52
|
533
|
21
|
77-83
|
867
|
26
|
126-134
|
1400
|
41
|
204-216
|
2133
|
54
|
312-328
|
3000
|
73
|
439-461
|
При
проведении поверки должны выполнятся следующие условия:
· преобразователь
предъявляемый на периодическую поверку должен быть в исправном состоянии;
· к проведению поверки
допускают лиц, прошедших специальную подготовку и имеющих право проведения
ведомственной или государственной поверок;
· при проведении
поверки должны соблюдаться условия, обеспечивающие сохранность метрологических
характеристик преобразователя и контрольно-поверочной аппаратуры;
· при проведении
поверки допускается нахождение приемника и передатчика в естественных условиях
открытой атмосферы, при отсутствии сильных и умеренных осадков и туманов;
· при проведении
поверки должны соблюдаться требования техники безопасности.
Подготовка к поверки и
проведение поверки.
Перед проведением поверки
проверяется наличие и полнота комплекта и преобразователя и сопроводительной
документации, Затем необходимо развернуть приемник и передатчик на местах их
установки и замкнуть световой канал с помощью полуоткрытых крышек (ИВО) или
наклонных щитов (РВО).
Затем отсоединяется кабель
приемника от пульта управления преобразователя и в разрыв включается кабельная
вставка с подсоединенным к ней замыкателем. С помощью вольтметра переменного
тока проверяется наличие напряжения питания преобразователя, которое должно
быть в установленных пределах. Необходимо заранее подготовить протоколы
поверки, зафиксировать в них метеорологические параметры окружающей Среды,
данные приемника, передатчика и пульта управления, напряжение сети.
Рис. 3 Схема замыкания
светового канала преобразователя типа ИВО или РВО для проведения поверки.
L
Проведение поверки
начинается с внешнего осмотра. Маркировка всех частей преобразователя должна
должна быть отчетливо различима. органы регулировки и настройки должны
вращаться плавно, без заеданий, кнопки при нажатии не должны западать. Защитные
стекла и отражатели не должны иметь загрязнений, трещин и дефектов. Части
разъемов должны легко соединяться и размыкаться. Крышки приемника и передатчика
должны свободно открываться и закрываться как в ручную, так и автоматически.
Следующая стадия поверки -
опробование. При включении преобразователя в работу должна мигать лампа
передатчика. и на экране ЭЛТ появиться линия развертки и сигнал. При
включенном обогреве (РВО) защитные стекла приемника и передатчика будут
теплыми.
После опробования
определяются метрологические параметры преобразователя. Для этого отсоединяют
от кабельной вставки замыкатель L3 (см. рис. 4) и на его место подключают к
разъемам Ш1 и Ш2 кабельные линии задержки, начиная с линии с минимальной
временной задержкой, имитирующей расстояние до НГО, и далее последовательно
подключаются линии на 533 нс(80 м), 867 нс(130 м), 1400 нс(210 м), 2133 нс(320
м) и 3000 нс(450 м). Затем операцию повторяют и обратной последовательности.
Рис. 4 Схема подключения при поверки ИВО и
РВО.
4 5 6
1 2
3
1- передатчик 4-
пульт управления
3- кабельная линия задержки 6-
стрелочный указатель
Рис.5
Кабельная вставка для проверки преобразователя типа ИВО или РВО.
Ш2-1 Ш2-2
Ш1 Ш2
L3
Обозначение
|
Наименование
|
Ш2-1
|
Розетка
ШР32ПК12НГ
|
Ш2-2
|
Вилка
ШР32ПК12НШ
|
Ш1,
Ш2
|
Соединитель
радиочастотный СР-50
|
L3
|
Кабальный
замыкатель из кабеля РК-50 длиной 0,2 м
|
Полученные результаты
заносятся в протокол. Протокол должен содержать информацию о составе
поверяемого прибора (заводские номера всех поверяемых приборов, а так же номера
ДВ-1 и стрелочного указателя), о метеорологических условиях в которых проходила
поверка (температура окружающего воздуха, температура в помещениях, где были
установлены пульт управления, ДВ-1 и стрелочный указатель. Кроме того,
указываются средства и устройства поверки с заводскими номерами (термометры,
вольтметр, рулетка измерительная, комплект линии задежки).
В протоколе указывается и
погрешность преобразователя. Рассмотрим определяемые погрешности на примере.
имитируемое расстояние(Н),
м
|
результат измерения(Н*),м
|
разность а=Н-Н*, м
|
(а- ),
м
|
59
|
60
|
-1
|
1
|
117
|
120
|
-3
|
1
|
138
|
140
|
-2
|
0
|
217
|
220
|
-3
|
1
|
329
|
330
|
-1
|
1
|
217
|
220
|
-3
|
1
|
138
|
140
|
-2
|
0
|
117
|
120
|
-3
|
1
|
59
|
60
|
-1
|
1
|
n=11
|
|
|
|
Систематическая
погрешность:
Случайная
погрешность ( при вероятности Р=0,9):
где -
коэффициент Стьюдента.
Суммарная
погрешность:
Максимальное значение суммарной погрешности
не превышает-4 м.- не превышает предельно допускаемой погрешности.
следовательно преобразователь годен к эксплуатации.
Предел
допускаемой погрешности:
Имитируемая
высота, м
|
50
|
110
|
130
|
210
|
320
|
450
|
Значение
предела, м
|
10
|
16
|
18
|
25
|
32
|
42
|
На преобразователь,
пригодный к эксплуатации, выдается свидетельство о поверке или делается
соответствующая запись в формуляре прибора. При отрицательной поверки, прибор
снимается с эксплуатации и в его документах делается запись о непригодности и о
ее причинах.
Своевременная поверка
приборов предохраняет от дополнительных и неоправданных расходов. Если
допустить, что аэропорт г.Омска был временно закрыт, то ближайшие аэропорты,
которые могут принять самолеты находятся в Тюмени и Новосибирске, и при
нынешней стоимости авиатоплива, это обернется большими неоправданными
затратами.
Принятые сокращения:
ИВО - измеритель
высоты облачности
РВО - реистратор
высоты облачности
ЭЛТ - электронно-лучевая
трубка
АРУ - автоматическая
регулировка усиления
ВНГО
- высота нижней границы атмосферы
ГПН - генератор
пилообразного напряжения
МУ - методические
указания
СИ - средства
измерений.
Литература:
1.АфиногеновЛ.П.
Романов Е.В.
“Приборы
и установки для метеорологических измерений на аэродромах”
Ленинград,
Гидрометеоиздат, 1981.
2.Городецкий
О.А. Гуральник И.И. Ларин В.В.
“Метеорология,
методы и технические средства наблюдений”
Ленинград,
Гидрометеоиздат, 1984
3.“Правила
эксплуатации метеорологического оборудования аэродромов гражданской авиации
СССР” Москва, Гидрометеоиздат, 1981
4.Тюрин
Н.И.
“Введение
в метеорологию” Москва, Издательство стандартов, 1976
Российский
Государственный Гидрометеорологический Институт
Факультет
заочного обучения
Кафедра
экспериментальной
физики
атмосферы
КУРСОВАЯ РАБОТА
На
тему:
“Светолокационный
измерительный
преобразователь
расстояния до
нижней
границы облаков”
Проверил:
______________
Выполнил:
Колосов Ю.В.
Факультет
- “Метеорология “
IV
курс.
ОМСК
1995