Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

передатчика.Предположим, световойсигналсдлиной волныλизлучается лазером в атмосферу. В данном случае лазер в качестве излучателя необходим, таккакон гарантирует постоянстводлины волны световогосигнала. Свет воспринимается частицей аэрозоля, движущейся со скоростью ветра. Явление Доплера состоит в том, что частота светового сигнала, воспринятого частицей, будет отличаться от частоты излученного сигнала! Это легко понять. Предположим, частица двигается по световому лучу от излучателя. Тогда в течениепериода светового сигнала частица успевает переместитьсяот наблюдателя, следовательно, периодпринятогосигнала несколько возрастет, а частота, соответственно, уменьшится. При движениичастицы понаправлениюкприёмникупериодуменьшается,ачастота, наоборот, увеличивается.

Это изменение частоты можно выразить известной из физики фор-

мулой:

где ν’ – частота светового сигнала, воспринятого частицей; С – скорость света (С = 3·108м/с);

V – скорость ветра;

λ– длина волны излученногосигнала.

Знак «+» соответствует движению частицы к источнику света, знак «–» - от источника.

Далее происходит переизлучение светового сигнала частицей (отражениесвета от частицы). При этом частица выступает в качествеизлучателя, а приёмник света располагается в непосредственной близости от лазера. Следовательно, эффект Доплера проявляетсявторично, и частота светового сигнала ν, воспринятого приёмником, выражается формулой:

Возникает вопрос: можно ли измерить частоту принятого сигнала ν и далее рассчитать скорость ветра по формуле (3.31)? Теоретически это можно сделать, практически это - неосуществимо, так какскорость света на много порядков больше скорости ветра и изменение частоты будет ничтожномалым. Чтобыпоказать это,напишемформулудляотносительной чувствительности такого предполагаемого метода. Пользуясь определе-

121

нием относительной чувствительности (формула (2) вводной части), имеем:

Видно, что относительная чувствительность имеет порядок 10-8 , посколькув знаменателестоит скорость света. Таким образом, прямой метод измерения здесь невозможен.

Применим дляизмерения скорости ветра дифференциальный метод. Для этого соберём установку, оптическая схема которой представлена на рис. 3.14.

3

V´ V"

2

V

1

Рис. 3.14. Оптическая схема лазерногоанемометра

Световойпучок, излученныйлазером(1)проходитчерезполупрозрачную пластину (2). Примерно половина света отражается пластиной и направляетсякзеркалу(3). Отраженный от зеркала световой пучокпересекается под углом α с основным пучком в точке, которая может быть удалена от установки на расстояние до нескольких десятков метров. Предположим, что направление ветра (V) перпендикулярно биссектрисе угла α, следовательно, в том же направлении двигается отражающая свет частица аэрозоля.

Тогда от частицы отражаются оба световых пучка. При этом явление Доплера проявляется относительно проекции скорости ветра на направление лучей V и V . Но изменение частоты происходит с разными знаками, посколькупроекцияскорости ветра на проходящий луч направлена по лучу, а соответствующая проекция на отраженный луч – против луча! Следовательно, наблюдательвоспринимаетдва отражённых лучасразной частотой:

122

C 2V sin α

Однако эти два луча приходят на один светоприёмник, следовательно, их яркость суммируется. Фактически суммируются амплитуды периодическихсигналов,имеющихнесколькоразнуючастоту.Этоявление носит названиебиения. Частотаизмененияяркости сигналаравна, согласнотеории биений, разности частот обоих воспринятых сигналов:

4V sin α

является функцией скорости ветра, то относительная чувствительность не будет зависеть от скорости света С и становится достаточно значительнойвеличиной:

Поскольку скорость ветра V стоит в знаменателе формулы (3.36), то относительная чувствительность такого метода тем больше, чем меньше скорость ветра!Этообстоятельство особеннопривлекательно дляизмерения малых скоростей ветра.

Однакона пути практической реализации такогометода имеетсянесколько трудностей. Перечислим их.

1.Аэрозольныечастицы двигаются сплошным потоком. Таким образом, на светоприёмник попадают лучи света, отраженныеот разных частиц одновременно.Этосильнозатрудняетопределениечастотыизменения яркости сигнала.

2.Абсолютная чувствительность метода, как легко видеть из формулы (3.35), пропорциональна синусуполовины угла α. Приудаленииточки пересечениялучей от установки на несколькометров эта величина стано-

123

вится очень малой, следовательно, абсолютная чувствительность резко уменьшается.

3.Дляуверенной регистрации отраженных от аэрозолейпучков света нужна очень чувствительная светоприёмная аппаратура.

4.Длятогочтобы на светоприёмный элемент (фотоумножитель)поступали бы толькосветовыепучки из точки пересечениялучей, необходим длиннофокусный объектив, точнонаправленный в точку пересечения.

Всеэтитрудности,впринципе,преодолимы.Ноустановкастановится весьма сложной и дорогостоящей. Однако метод обладает весьма существенными преимуществами, которые делают его незаменимым в определенных случаях. Перечислим эти преимущества:

1.Возможность измерения скорости ветра в достаточно удаленных точках (например, на высоте до нескольких десятков метров).

2.Полноеотсутствиеинерции.Этодаётвозможность,например,разместив установкув носовой части самолета, измерять проекциюскорости ветра на направление, перпендикулярное полету самолета.

Разумеется, для определения приземной скорости ветра на метеостанции применять такой метод нецелесообразно. В этом случае можно использовать обычный ротоанемометр.

3.6. Измерение направления ветра. Дистанционные измерители

Для измерения направления ветра обычно применяется флюгарка. Общийвидфлюгаркипоказаннарис.3.15.Этолопасть(1)укрепленнаяна вращающейся горизонтальной штанге, с противоположной стороны которой находится противовес (2). Вся флюгарка свободно поворачивается на вертикальной опоре, которая обычно укреплена на мачте. Воздушный потокразворачивает флюгаркутак, чтоеёпротивовеспоказывает направление, откуда дует ветер.

Иногда лопасть флюгарки делают сложной формы, например, в виде двух пластин, повернутых поднекоторымугломдругкдругу. Такаяформа обеспечиваетболееустойчивуюработуфлюгарки, уменьшаяеёколебания вокруг положенияравновесия.

Вобычномфлюгеренижефлюгаркирасполагаетсялимбсделениями, ориентированный по сторонам света. Наблюдатель, посмотрев снизу, определяетположениефлюгаркиизаписываетнаправлениеветраподелениям лимба.

124

Назовём такое положение сельсинов согласованным. В согласованном состоянииток,текущийпопроводам,соединяющимстаторысельсина-дат- чика и сельсина-приёмника, равен нулю, посколькунапряженияпопарно равны. Но это значит, что и в катушках статоров сельсина-датчика и сель- сина-приемника ток также равен нулю.

Теперь предположим, что ротор сельсина-датчика повернулся на некоторый угол, например, при изменении направления ветра. Тогда согласованное положение нарушается, теперь напряжения в обмотках не

равны попарно: U~1 U ´~1; U~2 U ´~2; U~3 U ´~3. Теперь по проводам, соединяющим статоры сельсина-датчикаи сельсина-приёмника,идет ток.

Следовательно, появляются токи и в обмотках статоров. Эти токи вызываютпоявлениемагнитныхполейвокругобмотокстаторов.Возникаетсложная картина наложения магнитных полей статора и ротора, в результате чего ротор сельсина-приёмника поворачивается. Точно так жеповорачиваетсянамагниченная стрелка компаса в магнитном полеЗемли. Поворот происходит дотех пор, пока небудет достигнутоновоесогласованноеположение.Значит, всегда приповоротероторасельсина-датчикароторсель- сина-приёмника вместесострелкой поворачивается на тот жеугол. Около стрелки имеется круглая шкала с угловыми делениями, показывающими направление ветра.

Однако такая конструкция сельсинов имеет один существенный недостаток– подача напряженияна вращающуюсяобмоткуротора происходит спомощьютрущихсяконтактов, поэтомутакиесельсины и называют контактными сельсинами. Трущиеся контакты быстро изнашиваются. Поэтому в метеорологических приборах часто применяются бесконтак-

тные сельсины.

В бесконтактных сельсинах обмотка возбуждения L0 находится на статоре. Схема соединения обмоток такая же, как и в контактных сельсинах (рис.3.18). Ротор бесконтактного сельсина представляет собой кусок железа, имеющий форму, показанную на рис. 3.19.

Этот ротор является своеобразным сердечником трансформаторной связи обмоток L0 и L1; L0 и L2; L0 и L3. Следовательно, напряжения, возникающие в обмотках L1, L2 и L3 зависят от угла поворота ротора. В согласованном положении наблюдаетсяпопарноеравенствонапряжений U~1

= U ´~1; U~2 = U ´~2; U~3 = U ´~3. Ток в обмотках L1, L2 и L3 равен нулю. Далее всё происходит точно так же, как и в контактных сельсинах: при

выходе из согласованного положения попарное равенство напряжений нарушается,возникают токи вобмоткахстатора,онивызываютпоявление

127

северного направления будет происходить осреднение малых и больших значений напряжения, чтоприведет кошибкев 1800 вопределении направления ветра.

Такжедля передачи информации об угле поворота используются кодеры (шифраторы)угловогоположения. Вних используетсяэлектромеханический способ аналого-цифрового преобразования, в котором угол поворотавала непосредственнопреобразуетсявсоответствующий цифровой выходной сигнал, благодарячемуотпадает необходимость использования каких-либо потенциометров для измерения углового смещения.

Кодирование осуществляется с помощью оптических датчиков, а кодирующий круг непосредственно насажен на вал. На рис. 3.21 представлена схема кодирующего устройства с четырёх разрядным двоичным выходом. С одной стороны кодирующего круга находятся источники света, например, светодиоды. Напротив светодиодов с другой стороны круга находятся фотоприёмники, например, фотодиоды. Свет может пройти от фотодиода к светодиоду только в том случае, если соответствующий сектор дорожки круга прозрачен. Прозрачные и непрозрачные сектора чередуются в определенном порядке, показанном на рис. 3.22 и 3.23. Соответственно фотодиоды будут открыты (условимся считать, что соот-

ветствующий разряд в этом случаеравен 1 или закрыты (разряд равен нулю). Тогда на фотодиодах возникают сигналы, представленные в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Сигналынафотодиодах

Недостаток обычного двоичного кодирования заключается в том, что дажеслабая разъюстировка механизма может привести кбольшой ошибке в выходном сигнале. Нет гарантии, что разряды изменяют свои значенияточноводини тотжемоментвремени.Например, кодоваякомбинация 0111 может перейти в комбинацию 1111 при разъюстировке в старшем значащем разряде, что соответствует ошибке в 180°. Эта проблема решаетсяпутёмиспользованиякода Грея(рефлексногоилициклическогокода). Преимущество этого кода по сравнению с обычным двоичным кодом заключаетсявтом, чтоприуменьшенииилиувеличениичисла на единицу в соответствующей кодовой комбинации кода Грея изменяется значение только одного разряда. Это уменьшает неопределённость при измерении последовательных угловых положений в отличие от обычного кода. Аналогичная разъюстировка приводит тогда к ошибке не превышающей одного значения младшего значащего разряда.

Название рефлексный (отражённый) двоичный код происходит от факта, чтовторая половина значений в кодеГрея эквивалентна первой половине, только в обратном порядке, за исключением старшего бита, который просто инвертируется. Если же разделить каждую половину ещё

130