Технология

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     |от 50 до 450                        |
|мишени, м                               |                                    |
|Предел допускаемой погрешности          |                                    |
|измерителя, м                           |                                    |
|50-150 м                                |не более    (0,1Н+5)                |
|150-500 м                               |не более    (0,074Н+10)             |
|Диапазон измерения времени (   )        |                                    |
|прохождения световым импульсом          |                                    |
|расстояние Н до отражающей поверхности и|от 333 до 3000                      |
|обратно, нс                             |                                    |
| Предел допускаемой погрешности в       |                                    |
|диапазоне                               |                                    |
|333-1000 нс                             |не более   (0,1  +33)               |
|1000-3000 нс                            |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    | предел допускаемой       |имитируемая высота,    |
|(   ), нс                 |погрешности определения   |м                      |
|                          |(    ), нс                |                       |
|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        |результат          |разность а=Н-Н*,  м|(а-        ),  |
|расстояние(Н), м   |измерения(Н*),м    |                   |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


смотреть на рефераты похожие на "Светолокационный измерительный преобразователь расстояния до нижней границы облаков"