Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Абсолютные приборы основаны на сравнении измеряемого параметрасдругим таким жепараметром, значениекоторогоможнорегулировать в процессе измерения. Наблюдатель в процессе измерения добивается равенства величины измеряемого и регулируемого параметра. Например, чашечныевесы являютсяабсолютным прибором. На однучашку весов помещают взвешиваемое тело, на другую – гири, массу которых подбираютв процессеизмерения. Придостиженииравновесиявесовделается заключение о равенстве масс на обеих чашках. Легко понять, что такие приборы не содержат показывающих элементов – стрелочного указателя или цифровогоиндикатора. Они нетребуют калибровки. В метеорологических измерениях такие приборы используются редко, поскольку процесс измерения достаточно длительный. Их обычно используют в лаборатории для калибровки относительных приборов.

Относительные приборы основаны на преобразовании измеряемой величины в другую физическую величину, значение которой измерить достаточнопросто (например, угол отклонениястрелки, высота столбика ртути, электрический ток и т.п.). Эти приборы требуют предварительной калибровки, таккаксодержат стрелочный указатель, а значит, положение стрелки необходимо сопоставить с измеряемой величиной. Примером такого прибора являются пружинные весы, угол отклонения стрелки которых зависит от массы взвешиваемого тела. Такиеприборы в использовании проще, чем абсолютные. Поэтому в метеорологических измерениях их используют очень часто. Приэтом ненужнозабывать, чтоотносительные приборы требуют регулярной периодической поверки и калибровки.

Помимо этой классификации измерительные (в том числе метеорологические)приборы, можноразделить и подругим признакам. Выделим

показывающие приборы, записывающие приборы и информационноизмерительные системы.

Показывающие приборы имеют на выходе какой-либо указатель, например, стрелку со шкалой (вместо стрелки может использоваться столбикртутиилиинойподвижныйуказатель)илицифровойиндикатор.Показания прибора считываются и записываются оператором-измерителем. При отсутствии операторапоказанияприбораостаютсянепрочитанными.

Записывающие приборы имеют на выходе устройство, записывающеезначениеизмеряемойвеличины.Этоможетбытьсамописецсбумажной лентой, на которой происходит запись изменения измеряемой величины, или электронное устройство для записи, например, оперативная память компьютера. Такие приборы предпочтительнее показывающих, так как

11

они не требуют непосредственного присутствия оператора. Работа операторасводитсятолькоктехническомуобслуживаниюприбораиканализу записаннойинформации.Записьинформациипредставляет собойпервую ступень автоматизации измерений. Простейшими приборами такоготипа являются барограф, термограф, гигрограф и другие.

Информационно-измерительные системы (ИИС) имеют ещё бо-

льшую степень автоматизации измерений. ИИС, как правило, измеряет не одну, а несколько величин. Измерения ведутся по заранее заданной программе, записанной в памяти ИИС. Эта программа измерений может автоматически изменяться в зависимости от измеряемых параметров, например,при штормовой ситуации измеренияпроводятсягораздочаще. ИИС не только измеряет и записывает показания в оперативную память, она еще и транслирует информацию по каналам связи к потребителям, а также содержит цепочки обратной связи, которые позволяют управлять отдельными блоками системы. Такая ИИС уже не может быть названа просто прибором, хотя бы в силу её сложности. Типичным примером метеорологическойИИС являетсякомплекснаярадиоэлектроннаяаэродромная метеорологическая станция (КРАМС).

Приведем еще одну классификацию измерительных приборов:

приборы для измерения мгновенного значения величин и интегрирующие приборы.

Приборы для измерения мгновенного значения, как это следует из их названия,измеряют тозначениевеличины, котороеонаимеет внастоящий момент. При этом подразумевается, что измеряемая величина непрерывно изменяется, а значит, показания прибора изменяютсятакже непрерывно. Так, например, работают термометры, анемометры, гигрометры, актинометрические приборы, измеряющиепотоки радиации и другиеприборы.

Интегрирующие приборы измеряют суммарное значение некоторой величины, накопленное в течение определенного промежутка времени, который задается в процессе измерения. Таким прибором является, например, осадкомер Третьякова – он измеряет сумму осадков за промежутоквремени междуизмерениями. Впротивоположность осадкомеруплювиограф является прибором для измерения мгновенного значения, так какон даёт возможность измерить интенсивность осадков – иначеговоря, мгновенное значение потока осадков. Еще пример – счётчик Гейгера измеряет мощность дозы радиации (мгновенное значение), а радиофотолюминисцентный прибор «Флюорад»измеряет дозурадиации, накопленную за задаваемый интервал времени.

12

Говоряоклассификации измерительных приборов, необходимо упо-

мянуть об аналоговых и цифровых приборах.

Аналоговые приборы имеют на выходе стрелочный или иной указатель со шкалой. Выходная величина этих приборов, например угол отклонения стрелки, изменяется в соответствии с измеряемой величиной. Можно сказать, что эти величины изменяются аналогично – отсюда название типа прибора. Такие приборы работают с аналоговым сигналом, например, этонапряжениеили ток,который может принимать любоезначениев определенном интервале, причём егозначениезависит от измеряемой величины.

Цифровые приборы имеют на выходе цифровой индикатор, состоящий из отдельных элементов. В этих приборах используется цифровой сигнал, представляющийсобойпоследовательностьимпульсов(например, импульсов тока). Амплитуда каждого из импульсов может принимать толькодва значения:низкогоуровня(ноль)или высокогоуровня(условно его называют единичным импульсом). Эти импульсы подчиняютсяопределённому коду – чаще всего это двоичный код, в котором закодировано значение измеряемой величины. Таким образом, измеряемая величина может быть прочитана толькоприанализепоследовательности нескольких импульсов.

2. Классификация методов измерения

Методом измерения называется совокупность приёмов, принципов исредствизмеренияисследуемыхпараметров.Основнымиметодами,применяемыми в метеорологических измерениях, являются метод непосредственной оценки, дифференциальный метод и нулевой метод.

Метод непосредственной оценки заключается в том, что значение измеряемой величины определяют сразу же по стрелочному указателю илипоцифровомуиндикатору.Какправило,блок-схемаприбора,вкотором осуществляется этот метод, представляет собой цепочку преобразователей, оканчивающуюсяпоказывающим илизаписывающим прибором.Такой метод осуществляется, например, в барометре-анероиде, индукционном анемометре и многих других приборах.

Достоинствотакогометода– простота процесса измерений. Действительно, процесс измерения заключается в том, что наблюдатель смотрит науказательпоказывающегоприбораизаписываетегопоказания.Требования кквалификации наблюдателя, соответственно, минимальные. К дос-

13

тоинствам можно отнести и быстроту процесса измерения, а также возможность быстро представить себе направление и скорость изменения измеряемой величины. Например, следя за стрелкой указателя скорости ветра можно представить себе, увеличивается скорость ветра или уменьшается, а также сколь быстро идет её изменение.

Недостатком такого метода является погрешность, вносимая каждым преобразователем, входящим в цепочку. Соответственно, общая погрешность измерения должна учитывать погрешности всех преобразователей, таким образом точность измерения обычно не очень высокая.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что измеряется, собственно, несама величина, а разность между измеряемой величиной и другой такой же физической величиной, значение которой известно. Этот метод применяется чащевсего в тех случаях, когда значение измеряемой величины заведомо очень большое, а требования к точности измерения также очень жесткие.

Приведем пример. Допустим, требуется измерить расстояние с точностью до одного миллиметра. Это нетрудно, если расстояние невелико

– до нескольких десятков сантиметров. Но если измеряемое расстояние составляет несколько километров, то измерить его с такой точностью методом непосредственной оценки (например, с помощьюмерной ленты или линейки) практически невозможно. Тогда поступают так. Изизмеряемого расстояния L вычитают постоянную величину L0, которая близка к измеряемой, и значение которой известно. Образовавшаяся разность L, ( L=L –L0)составляет небольшую величину, которуюможнодостаточно точно измерить методом непосредственной оценки (рис. 1).

L

L0

Рис. 1. Пояснение дифференциальногометода измеренияΔL

Достоинством такого метода является более высокая, чем при применении метода непосредственной оценки, точность измерения. К недостаткам относятся сложность изготовления прибора (а значит, и более высокая стоимость) и большое время, затраченное на измерение. Действительно, блок-схемаприборадолжна включать всебягенератор опорной, постояннойвеличины,а такжеблок, выделяющий разностьвеличин. Процессизмеренияможет включать в себявычислениеизмеряемойвеличины

14

поизмеренномузначениюразностивеличин. Соответственно,требования к квалификации измерителя в этом случае должны быть повышенными.

Дифференциальныйметодизмеренияреализуется,например,влазерном доплеровском измерителе скорости ветра (см. ниже), в струнном микробарометре и в некоторых других приборах.

Нулевой метод измерения реализуется в абсолютных приборах. Его можносчитать дифференциальнымметодом измерения,в которомобразовавшаясяразность измеряемой и вычитаемой величиныравнанулю.Суть метода уже была объяснена при рассмотрении работы абсолютных приборов в разделе «Классификация метеорологических приборов».

3. Основные характеристики измерительных приборов

При работес измерительными приборами необходимо прежде всего знать их основныехарактеристики, определяющиепригодность прибора для измерений данной величины в данных условиях. Обычно эти характеристики приводятся в паспорте прибора или в техническом описании. Перечислим их.

Важнейшей характеристикой прибора является его чувствительность. Согласноопределению,абсолютнаячувствительностьлюбогоприбора (S)-этоотношениеизменениявыходной величины (Y)квызвавшему ееизменениювходной величины (X). Математически этоможновыразить в видепроизводной:

Входная величина – эта, собственно, величина, которую измеряет данный прибор (например, температура, влажность и т.д.). Выходная величина – это та, в которую преобразуетсявходная величина в процессе работы прибора(например, высотастолбартути,уголотклонениястрелки и т.д.). Если известна зависимость Y(X), которая определяется устройством прибора, то можно, используя уравнение (1), выразить чувствительность и определить её величину.

Введем понятие относительной чувствительности прибора. Это от-

ношениеабсолютнойчувствительностикзначениювыходнойвеличиныY:

15

Относительная чувствительность показывает, на какую часть от выходной величины изменяется сама выходная величина при изменении входной величины на единицу. Например, известно, что при изменении температуры на один градус изменение высоты столбика ртути составляет 1 мм. Много этоили мало? Для ответа на этот вопрос необходимо знать самувысотустолбика ртути. Если она равна, скажем, одномусантиметру, то один миллиметр – это достаточно много, это одна десятая часть от самого значения высоты. Относительная чувствительность в этом случае равна 0,1 1/К. Ноесливысота столбика ртути,например,50 см, тоотносительная чувствительность термометра в 50 раз ниже.

Важной особенностью относительной чувствительности являетсято обстоятельство, чтоона имеет одинаковуюразмерность для всех однотипных приборов. Например, для термометров – 1/К, для барометров – 1/Па ит.д.Значит,однотипныеприборы,имеющиеразнуюконструкцию,можно сравнивать между собой по их относительной чувствительности.

Второй важнейшей характеристикой прибора являетсяпогрешность измерения. Обычно она выражается так: ±ΔX, где X - измеряемая (входная) величина. Величину ΔX можно определить, зная чувствительность прибора и погрешность измерениявыходной величины ΔY:

Погрешность измерения выходной величины ΔY обычно равна половине деления шкалы для стрелочных приборов. Для других приборов значение ΔY определяется исходя из физической природы величины Y.

Не нужно, однако, думать, что погрешность измерения полностью описывается уравнением (3). Как правило, к этому значению нужно прибавитьпогрешности,обусловленныевлияниемдругихфизическихвеличин на работу прибора. Поэтому вопрос о погрешностях каждого прибора мы будем обсуждать особо. Крометого, при измерениях также присутствуют случайная, систематическаяи инструментальнаяпогрешности. Нахождениесредней величины измеренногозначения с достаточной степеньюдостоверности – это отдельная математическая задача, решение которой находится за пределами данного курса.

Важнейшей характеристикой работы прибора является его инерция. Инерция прибора – это его свойство показывать измеряемую величину с задержкой во времени. В паспорте каждого прибора содержится пара-

16

метр,описывающийегоинерцию.Длятермометраэтокоэффициенттепловой инерции, для ротоанемометров – путь синхронизации и т.д. Существуют, однако, безынерционные приборы, у которых инерция или вообще отсутствует, или пренебрежимо мала.

17

Глава 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.1. Тепловая инерция термометров

Тепловая инерция является общим свойством всех термометров, обладающих термометрическим телом или датчиком. Термометрическое тело - это часть термометра, которая должна принять температуру окружающей среды. Например, для ртутного термометра это резервуар со ртутью. Понятно, что если термометр имел температуру, отличающуюся от температуры окружающей среды, то для того, чтобы его термометрическоетеловоспринялобы температурусреды, понадобитсянекотороевремя.

Свойство термометра воспринимать температуру окружающей среды с задержкой во времени, называется тепловой инерцией термометра. Тепловаяинерцияобусловленаконечной скоростьютеплообменамежду термометрическим телом и средой. Она является нежелательным свойством, так какизмерения могут проводитьсятолькопо истечении некоторого времени. От чего же зависит это время? Сколько же нужно ждать? Дляответа на этот вопросрассмотрим процесс теплообмена термометрическоготела сокружающей средой.В качествепримерарассмотрим резервуар жидкостного термометра. Полученные выводы будут носить общий характер для всех термометров, обладающих термометрическим телом.

Теплообмен между термометрическим телом и окружающей средой складывается из двух процессов: конвективного и радиационного (рис. 1.1). Тогда уравнениетеплообмена междутермометрическим телом и средой можно записать в виде:

где Q - количество тепла, запасенное термометрическим телом;- время;

-коэффициент конвективноготеплообмена междутермометрическим телом и средой;

S - площадь поверхности термометрического тела;

- температура окружающей среды;

Т- температура термометрического тела;

В - алгебраическая сумма радиационных потоков, действующих на термометрическое тело;

18

Рис. 1.1. Потокитепла, действующиена резервуартермометра

S - часть поверхности термометрического тела, которая подвергается воздействию радиационных потоков.

Первоеслагаемоев правой части (1.1)- конвективный поток тепла, второе - радиационный. Знак первого слагаемого зависит от знака разности ( - T). Если термометр холоднее окружающего воздуха, то происходит его нагрев, если теплее-тоохлаждение. Знак второго слагаемого зависит от знака величины В. Так как наибольший вклад в сумму радиационных потоков вносит солнечная радиация и излучение близлежащих нагретых предметов, можно сказать, что величина В практически всегда положительна.

Учтём известноесоотношениемеждузапасом тепла и температурой:

dQ mc dT,

где m - масса термометрического тела;

с - удельная теплоемкость вещества, из которого это тело изготовлено (например, ртуть для ртутного термометра).

Разделив (1.1.) почленно на S и подставив выражение для dQ, получим:

Решим уравнение (1.2), используя следующие предположения.

1. Температура окружающей средыизменяетсяполинейномузакону:

+ ,

где 0 - температура среды в момент времени, принятый за нулевой (например, момент установления контакта термометра со средой);

- скорость изменения температуры среды. Для необходимого промежутка времени (10 - 20 мин) это предположение достаточно хорошее.

Изменение температуры среды в течение 10 -20 мин или вообще отсутствует, или может быть аппроксимировано линейным законом.

2.Градиент температуры внутри термометрического тела отсутствует, температура всех его точек постоянна. Разумеется, это не так. Но учёт градиента температур сильно усложнит уравнениеи мало изменит полученные выводы.

3.Величина Вявляетсяпостоянной в течениевремени установления температуры.

4.Начальные условия примем в виде:

Tτ 0 T0 .

Обратим вниманиенато, чтовеличины иRявляютсяконстантами, по крайней мере, в течение того промежутка времени, пока температура термометра и среды будут выравниваться. Правда, коэффициент конвективного теплообмена , входящий в выражение для , зависит от плотности окружающей среды и скорости еедвижения относительнотермометра V:

где а и b - константы. Но в течение малого промежутка времени и V можно считать постоянными.

Проведем замену переменной в уравнении (1.2):

x T θ T θ0 γ τ,

Соответственно:

dT dx γ, dτ dτ

20