Реферат: 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:
внешний осмотр;
опробование;
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
