Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

ное напряжение по цепи обратной связи подается на кварц и вызывает обратныйпьезоэффект–кварцдеформируется.Этановаядеформациявызы- вает прямой пьезоэффект и возникает болеесильноенапряжение, которое опять-таки усиливается и идет обратно на кварц и т.д. Далеев силуупругих свойств кварца деформация меняет знак, например, растяжение сменяется сжатием. Изменяет знакинапряжение, котороетакжеусиливается. Таким образом реализуется положительная обратная связь, в результате которойвозникаютупругиеколебаниякварца,анавыходе-переменноесину- соидальноенапряжение.Егочастота зависит от массыкварца. Совершенно ясно, что если масса кварца велика, то частота будет малой, и наоборот.

Атеперьпокроемповерхностькварцапленкойсорбента.Массасорбента,азначит,имассавсегокварцавместессорбентомзависит отвлажности. Следовательно, частотаколебаний,генерируемыхкварцевымгенератором, также зависит от влажности! Эту частоту можно измерить с помощью частотомера - прибора для измерения частоты. Мы в дальнейшем рассмотримнекоторыесхемычастотомеров. Новданном случае измерение имеет однупринципиальноважнуюособенность. Делов том, чточастота колебаний кварца имеет порядок 106 Гц, а чувствительность метода - око-

ло 10 Гц на процент. Следовательно, относительная чувствительность,

т.е. изменение частоты колебаний при единичном измерении влажности по отношению к величине самой частоты очень мала. Измерить такое малое изменение частоты - это по трудности примерно то же самое, что измерить расстояниев 10 км сточностьюдоодногомиллиметра!Разумеется, это практически невозможно.

Как же все-таки измерить влажность таким способом? Для этого используют дифференциальный метод измерения. Применяют не один генератор, а два, причём частоты этих двух генераторов (рабочегои опорного) выбирают равными по порядку (рис. 2.13). Рабочий генератор (f) содержиткварц,покрытыйплёнкойсорбента,опорныйгенераторнаоборот, тщательно изолируется от влияния внешней среды. Егочастота постоянна. Обозначим ее r. Частоту, генерируемую рабочим кварцевым генератором, обозначим f.. Оба эти сигнала подаются на схему выделения разности частоты, которая выделяет частоту d = f - r . Эта разность невелика попорядкувеличины,таккакопорная ирабочаячастотыимеют одинаковый порядок. Однако изменение этой разности при изменении влажности такое же, как и f . Измерить эту разность гораздо проще. Докажем, что относительная чувствительность дифференциального метода гораздо выше, чем прямого.

92

спектральные участки особенно сильно поглощаются определенными газами. Эти участки получили название полосы поглощения. Диапазон длинволн,вкоторомпроисходитпоглощение,определяетсяособенностями молекул газа, поэтому каждый газ имеет свои полосы поглощения. Их имеет и водяной пар. Наиболеесущественнаядляметеоизмерений полоса поглощения H2О лежит в ближней инфракрасной области и имеет максимум на длине волны нм.

Введём количественную характеристику поглощения - массовый показатель поглощения k (индекс подчеркивает то обстоятельство, что массовыйпоказательпоглощениязависитотдлиныволны).Предположим, есть некий источник монохроматического излучения, а на расстоянии l от него находится приёмник излучения. Тогда излучение J, принятое приемником, можно определить, воспользовавшись законом Бугера-

Ламберта-Беера:

где a- абсолютная влажность; J0 - интенсивность потока излученияпередатчика.

Отсюда ясна размерность величины k - м2/кг.

Закон Бугера-Ламберта-Беера даёт нам возможность определить абсолютную влажность, измерив интенсивность излучения J. Конечно, расстояние между приёмником и передатчиком, показатель ослабления k , а также величина J0 должны быть известны. Что касается показателя ослабления,тодлядлиныволны694,383нмk 4,6 10-2 м2/кг.Чтокасается расстояния l, определим его из условия максимума чувствительности.

Чувствительность радиационного гигрометра (S) определим, как всегда, из общего определения чувствительности, приняв в качестве выходного параметра интенсивность излучения J. Тогда:

Видно, что чувствительность зависит от расстояния l сложным образом:если расстояниемало(l 0), то и чувствительность стремится

кнулю. С другой стороны,при l чувствительность такжестремится

кнулюза счет экспоненты. Следовательно, существует такое расстояние, на котором значение чувствительности имеет максимум. Найдем его.

Ищем максимум S из условия:

94

dS 0. dl

Отсюда возможны два решения - либо e k l a 0, и тогда l , либо разность в скобках (2.47) равна нулю. Тогда

Конечно, для практических измерений выбирают гораздо меньшие расстояния.

Отсюда становится ясным один из существенных недостатков ме-

тода: определяется только осредненное значение влажности того участка атмосферы, который находитсямеждуисточником и приемником радиации. Но в то же время метод обладает и достоинством: он является абсолютно безынерционным.

Как же осуществить измерение влажности радиационным гигрометром? В качестве источника радиации лучше всего применить лазер. Лазерпривлекателен, преждевсего,попричинемонохроматичностиизлучения, еговысокой интенсивности и малой расходимости пучка. Нои лазер не спасет нас от возможных погрешностей измерения. Рассмотрим их.

1. Влияние селективно поглощающих газов с полосой поглощения,

близкой к полосе поглощения воды. Прежде всего это углекислый газ СО2. Для ликвидации этой погрешности применяют следующий приём, который можно в шутку назвать принципом мухи и слона. Сравним нашу проблему со следующей: как избавиться от надоедливой мухи, если её нельзя ни прогнать, ни убить? Ответ: нужно ввести в комнату слона, и тогда уже на какую-то муху можно не обращать внимания.

Однако это должен быть «свой» ручной слон, чтобы он вел себя хорошо. В применении к нашей задаче это означает следующее. Нам мешает углекислыйгаз, содержащийсяв атмосфере(«муха»). На путирадиационного пучка помещают камеру с углекислым газом - углекислотный фильтр(«слон»). Тогда основноепоглощениеуглекислым газомпроисхо-

95

дит именно в камере, а малое количество углекислого газа в атмосфере (иещёболеемалыееговариации!)уженеоказывает влиянияна принятый сигнал.

2. Влияние не селективно поглощающих примесей (т.е. примесей,

поглощающих весь спектр излучения, независимо от длины волны). Это, в основном, аэрозоль. Изменениесодержанияаэрозолявызывает изменениепринятогоизлучения.Поэтомупринятоеприёмникомизлучениебудет зависеть от двух параметров: количества водяного пара и количества аэрозоля.

Этапогрешность может быть ликвидирована, учитываяименнонеселективность поглощающих свойств аэрозоля. Поставим рядом с первым источником излучения второй, излучающий вблизи, но все-таки вне полосы поглощения воды. Это второе излучение будет ослабляться только аэрозолем, но не водяным паром. Далее вычислим отношение принятых сигналов J1 /J2. Если будет изменятьсяколичествоаэрозоля, тоотношение J1 / J2 не будет изменяться, так как J1 и J2 будут изменяться в одинаковой степени. Если же будет изменяться влажность, то будет меняться только

J1, но не J2.

3. Влияние паразитного сигнала - излучения других источников,

которые могут быть приняты приёмником. Прежде всего, это солнечная радиация, прямая или рассеянная, излучение местных предметов и т.п.

Эту погрешность устраним так же, как мы поступали, устраняя погрешность радиационных термометров. Применяется модулированный источник света - в случае применения лазеров это осуществить легче, применив импульсныйлазерсизвестной частотой следованияимпульсов.

Приёмником инфракрасного излучения может быть любой из рассмотренных нами в разделе 1.10: фотоэлемент, фотоумножитель и т.д. В дальнейшем сигнал усиливается, причём характеристики усилителя подбираются так, чтобы происходило резонансное усиление на частоте следования импульсов лазера. Тогда паразитные сигналы не будут усиливаться и не пройдут в дальнейшие каскады прибора.

2.8.Конденсаторные гигрометры

Вконденсаторных гигрометрах используется конденсатор с воздушным диэлектриком. Напомним, что электрический конденсатор - это две проводящиепластины(обкладки),междукоторыминаходитсядиэлектрик. Если расстояние между обкладками конденсатора d, площадь пластин

96

конденсатора s, диэлектрическая проницаемость диэлектрика , то ёмкость конденсатора C определяется по известной формуле:

где 0 - универсальная диэлектрическая постоянная.

Теперь представим, что в качестве диэлектрика применен влажный воздух. Его диэлектрическая проницаемость зависит от влажности:

где а и b - размерные константы; Е - давление насыщения над водой; р- атмосферное давление.

Следовательно, ёмкость конденсатора с воздушным диэлектриком также зависит от влажности. Измерив её, можно определить влажность.

Теперь напишем формулу для чувствительности конденсаторного гигрометра, взяв в качестве выходной величину емкости конденсатора (С). Тогда чувствительность:

Чувствительность конденсаторного гигрометра зависит от температуры. Внимательноерассмотрениеформулы (2.51)приводитнасквыводу,

что чувствительность возрастает с ростом температуры, так как величина Е возрастает с ростом T гораздо сильнееT2. Крометого, чувствительность зависит ещё и от относительной влажности. Покажем это на графике(рис. 2.14).

Рассматривая рис. 2.14, отметим два обстоятельства. Во-первых, сама чувствительность по абсолютной величине оказалась очень малой - порядка 10-4 на процент. Это в значительной степени снижает привлекательность метода. К счастью, современная измерительная техника позволяет регистрировать столь малые изменения емкости. Во-вторых, чувствительность конденсаторных гигрометров сильно снижается при малой влажности и низкой температуре. Это также накладывает ограничения на применимость метода. Тем не менее, главной привлекательной стороной метода являетсяегополнаябезынерционность и малыеразмеры

97

Рис.2.14. Зависимость чувствительностиконденсаторных гигрометров от влажности

датчика. Измерение ёмкости конденсатора является решённой задачей дляэлектроизмерений. Конденсаторныегигрометрывыпускаются,например, финской фирмой “Vaisala”, признанным европейским лидером в области метеорологического приборостроения.

98

Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА

Параметры ветра (скорость и направление) являются важнейшими метеорологическими величинами, измеряемыми как на метеорологических станциях, таки на постах. Приборы, измеряющиескорость ветра, на-

зываются анемометрами.

Как известно, скорость ветра определяется как производная от пути повремени. Однаков метеорологии никогда непользуютсяпрямым измерением скоростиветра.Используютпервичныепреобразователи скорости ветра в другуювеличину, измерениекоторой менеезатруднительно. Чаще всего скорость ветра преобразуется в угловую скорость вращения чашечнойвертушкииливинта,напоминающегопоформепропеллер.Такиепреобразователи получили название ротоанемометров. Рассмотрим особенности их работы.

3.1. Теория ротоанемометров

Работу ротоанемометров рассмотрим на примере чашечной вертушки. Это вращающиеся лопасти с чашками, имеющими форму полусфер(иногдаформа чашеквыбираетсяблизкой кпараболоиду). Применяются как трехчашечные так и четырехчашечные вертушки, схематичный чертеж которой показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Силы, действующиена чашечнуювертушкув воздушном потоке

Рассмотрим силы, действующиена каждуючашкув ветровомпотоке. Представим себе такое положение чашек вертушки, какое показано на рис.3.1. Тогда напервуючашкудействуетсила F1,направленнаяпопотоку ветра. Вторая и четвертая чашки находятся в таком положении, что сила действияветра направлена вдоль лопастей вертушки и неоказывает дей-

99

ствиянаеёвращение.Однакоинаэтичашкидействуютаэродинамические силы F2 иF4,ихпроисхождениетакоеже,каксилы,действующей накрыло самолета. Наконец, на третьючашкудействует сила F3, такженаправленная по потоку. Но значение этой силы меньше, чем F1, поскольку третья чашка обдувается потоком ветра, оказывая гораздо меньшее сопротивление, чем первая. В результате действия этих сил вертушка начнет поворачиваться в направлении, показанном круглой стрелкой. Чашка (1) будет двигаться по потоку ветра, чашка (3) - против потока. В результате силы будут изменяться. Когда вертушка займет другое положение, появятся проекции сил F2 и F4, но проекции сил F1 и F3 будут уменьшаться.

Будем предполагать, что общая сумма сил, действующих на вертушку в любом положении, постоянна и равна сумме сил, действующих на неё в положении, показанном на рисунке. Под действием этих сил вертушка будет двигаться с угловым ускорением. Тогда сила F1 будет уменьшаться (чашка двигается по потоку!), а сила F3 - наоборот, возрастать (чашка двигается против потока). Ускоряющий момент сил уменьшается и через некоторое время скорость вращения вертушки станет постоянной. Назовем такоесостояниеустановившимся, и обозначим угловуюскорость вращениявертушки . Покажем, чтов установившемся состоянии угловая скорость вращения вертушки связана со скоростью ветра и выразим эту связь формулой.

Сохранив предположение о постоянстве суммы сил, действующих на вертушку, примем следующие дополнительные предположения.

1.Силы F2 и F4 малы посравнению ссилами F1 и F3. Это достаточно хорошееприближение.

2.Сила трения на оси вертушки пренебрежимомала. Этоприближение достаточно хорошее при большой скорости ветра, но при малой скорости силу трения нельзя не учитывать. Предположение об отсутствии силы тренияприведёт наскнекорректнымрезультатампри малой скорости ветра, о чём нам придется вспомнить в дальнейшем.

3.Угловое ускорение равно нулю, скорость вращения вертушки принимаемпостоянной.

С учётом этих предположений напишем уравнение вращения вертушки:

где M - момент силы, действующей на чашку;

100