: 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