Измерение высоты 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.
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.
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
|
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. 3Схема
замыкания светового канала преобразователя типа ИВО или РВО для проведения
поверки.
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.
Рис.5 Кабельная
вставка для проверки преобразователя типа ИВО или РВО.
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
|
-3
|
1
|
138
|
140
|
-2
|
0
|
117
|
120
|
-3
|
1
|
59
|
60
|
-1
|
1
|
n=11
|
|
|
|
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.