|
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 1000-3000 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
2- приемник 5- приставка ДВ-1
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:
Оценка
среднего квадратического отклонения:
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
|
|
|
