Светолокационный измерительный преобразователь расстояния до нижней границы облаков

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