Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Точность измерения метеопараметров с помощью М-49 ниже, чем на

Датчики станции располагаютсявзоне, гдепредполагаетсяизмерять метеопараметры, например,на метеоплощадке. Они соединеныспультом управления стандартными кабелями с медными жилами. Длина кабелей составляет несколько десятков метров, но при необходимости они могут быть удлинены до нескольких сотен метров. Датчики состоят из двух блоков, которые размещаются на специальной мачте ПР57. Датчик температурыи влажностиустанавливаетсяна высоте2 м. Он снабжен жалюзями, окрашеннымив белый цвет дляуменьшения радиационнойпогрешности. Датчик параметров ветра – флюгарка с винтовым ветроприёмником устанавливается на высоте 7 м.

211

Электрическая схема станции приведена на рис. 7.23. В верхней частисхемы пунктиром выделены блоки, содержащиедатчикпараметров ветра (ДПВ) и датчик температуры и влажности (ДТВ). Остальная часть схемы расположена в пульте управления. Всю схему можно разделить на следующие узлы:

1.Выпрямитель,используемыйпри сетевом питании станции. Схема выпрямителя расположена в левом нижнем углу рис. 7.23.

2.Преобразовательпостоянноготока впеременный. Егосхемарасположена в правом нижнем углу рис. 7.23.

3.Канал измерения скорости ветра.

4.Канал измерения направления ветра.

5.Канал измерения температуры.

6.Канал измерения относительной влажности.

Рассмотрим последовательно все эти блоки.

Выпрямитель. Переменное напряжение от сети (220 В) подаётся через контакты (2) переключателя П1 на первичную обмотку трансформатора Тр1. Последовательно с этой обмоткой включен конденсатор С3, который вместес обмоткой образует колебательный контур. Резонансная частота этого контура составляет 50 Гц, т. е. равна частоте сетевого напряжения. Поэтому при колебаниях амплитуды напряжения в сети амплитуда напряжения в обмотке трансформатора практически не изменяется. Таким образом, осуществляетсястабилизациянапряжения питания. Высокоомный резистор R8 служит для разряда С3 при отключении станции от сети.

Со вторичной обмотки трансформатора Тр1 сниматся напряжение около ~12 В. Эта обмотка имеет среднюю точку, т.е. практически разделена на две одинаковых части. Средняя точка служит нулём, относительно которого напряжение в крайних точках обмотки колеблется по синусоидальномузакону. Если леваяточка обмотки имеет положительное напряжение, то диоды VD5-VD6 открыты, а VD7-VD8 – закрыты. Если же положительный полупериод поступает на правую часть обмотки, то диоды VD7-VD8, наоборот, открыты, а VD5-VD6 – закрыты. Таким образом, наконденсатор С2 поступаетоднополярноенапряжение, котороесглаживается конденсатором.

Витогеполучаетсяпостоянноенапряжениеоколо6В,котороеиспользуется для питания станции. Станция может питаться как от сети, так и от батареи постоянногонапряжения 6 В. В зависимости от вида питания переключатель П1 ставится в положение (2) – сетевое питание или в по-

212

ложение (3) – батарейное питание. В положении (1) на станцию вообще неподаетсянапряжениепитания,этоположениеиспользуетсядляизмерения скорости ветра.

Преобразователь постоянного тока в переменный представляет собой мультивибратор с индуктивной обратной связью. В качестве задающего элемента мультивибратора используется индуктивность одной из первичных обмоток трансформатора ТР2 и конденсатор С5. Мультивибратор собран на транзисторах VT1 и VT2. Поскольку обмотки обладают индуктивностью,мультивибратор даётнеимпульсный,а синусоидальный ток. Частота переменного тока определяется емкостью С5 и индуктивностьюпервичной обмотки трансформатора.Вданномслучаеона составляет 400 Гц.

Такаявысокая частота используется для питания сельсинов, потому что это позволяет уменьшить их размеры. Окончательно переменный ток для питания сельсинов снимается со вторичной обмотки трансформатора Тр2. Параллельно обмотке включена емкость С4, образующая вместе с обмоткой колебательный контур. Резонансная частота этого контура равна рабочей частоте мультивибратора (400 Гц). Это стабилизирует амплитудунапряжения питаниясельсинов.

Канал измерения скорости ветра представляет собой индукцион-

ный анемометр светроприёмным винтом, ориентируемым попотокус помощьюфлюгарки. Винт вращаеттахогенератор переменноготока, причём частота и амплитуда переменного тока зависят от скорости ветра. Переменный ток транслируется по кабелю в пульт, где выпрямляется с помощью двухполупериодного выпрямителя VD1-VD4. Далее происходит сглаживание пульсаций тока с помощью фильтра R1-C1.

Напомним,чторезисторR1 выполняеттакжефункциютемпературногокомпенсатора.Крометого,сегопомощьюможнокорректироватьпоказания измерительного прибора ИП1 при настройкеи поверкеканала. На переднююпанель пульта ручка регулировки резистора R1 невынесена.Подробнее работа индукционного анемометра описана в главе 3, раздел 3.2.

Канал измерения направления ветра. Датчиком направления ветра в М-49 является флюгарка, ось которой приводит в движение ротор

сельсина-датчика СД1. Сельсин-датчик соединен с сельсином-приём-

никомСП, который находится внутри пульта станции.

Подробнееустройствои принцип работы сельсинов описаны в главе

3, раздел 3.6.

Канал измерения температуры представляет собой неуравнове-

214

шенный термометр сопротивления, включенный потрёхпроводной схеме (см. глава 1, раздел 1.6).

Датчиком температуры являетсяпроволочный резисторRt измедного провода, помещённогов металлическую трубку. Мостоваясхема собрана на резисторах R2, R3, R5 и Rt. Последовательно с резистором Rt в плечо моста включается один из резисторов – R6 или R7. Это делается для смещения шкалы при выборе диапазона измерения. При этом переключатель П2 ставится в положение 4 или 5. Переключатель П1, с помощью которогоподаетсяпитаниена схему, ставитсяв положение2 или 3 в зависимости от того, сетевое или батарейное питание используется. В обоих случаях источник питания подключается к переменному резистору R9, которое выполняет роль делителя напряжений. С помощью резистора R9 можно отрегулировать напряжение питания моста. Это делается перед каждым измерением температуры. Для этого переключатель П2 ставится

вположение 3 («контроль температуры») и в измерительное плечо моста

включается контрольное сопротивление R4. При включении этого сопротивленияв измерительной диагонали моста возникает ток, вызывающий смещение стрелки измерительного прибора ИП2 до деления 450. Если же стрелка занимает другое положение, это означает, что напряжение питанияотрегулированонеправильно, тогда вращением ручки резистора

R9 стрелку устанавливают на контрольную отметку. Ручка резиcтора R9 выведена на переднюю панель.

Канал измерения относительной влажности. Датчиком влаж-

ности служит круглая органическая пленка, центральная часть которой оттягивается вниз с помощью пружины и системы рычагов. Вертикальноедвижениерычага преобразуетсявовращательноедвижениешестерни, укрепленной на оси сельсина-датчика СД2. Переключатель П2 ставится

вположение 2 и обмотки сельсина-датчика соединяются с соответствующими обмотками сельсина-приёмника, находящегося в пульте. Ось сельсина-приёмника поворачивает стрелку, показывающую значение влажностипошкале, находящейсявнутри шкалы, показывающей направление ветра.

ВДМС М-49 применяетсяодин сельсин-приемник СП, который может соединятьсяс одним издвух сельсинов-датчиков. Один из них соединён с органической пленкой (датчик влажности), а другой – с флюгаркой (датчик направления ветра). Переключение производится с помощью переключателя П2. В положении 1 измеряется направлениеветра, а в положении 2 – относительная влажность.

215

7.8. Анеморумбометр М-63М

Анеморумбометр М-63М является дистанционным прибором для измерения параметров ветра. С его помощью можно измерять следующие величины:

1.Мгновенную скорость ветра, т.е. скорость ветра в настоящий момент времени в диапазоне от 1,5 до 60 м/с.

2.Среднююскорость ветра, т.е. осредненноезначениескоростиветра за 10 мин. (или за 2 мин.) в диапазоне от 1 до 40 м/с.

3.Максимальную скорость ветра (порывы) за любой промежуток времени между измерениями в диапазоне от 3 до 60 м/с.

4.Направление ветра в диапазоне от 0 до 360 град.

Конструкцияприбора включает три блока:датчикпараметров ветра, измерительный блок и блок питания. Блок питания предназначен для преобразования сетевого напряжения (220 В) в постоянное напряжение 12 В. Он собран пообычной схемевыпрямителяи допускает регулировку выходногонапряженияв небольшихпределах. Блоктакжеукомплектован аккумуляторами,чтопозволяет проводить измерениянезависимоот наличия сетевого напряжения.

В состав электронной схемы анеморумбометра М-63М входят триггеры. Описаниетриггера и егоработы было рассмотренов главе6, раздел6.2.

2

1

3 4

3| 5 5|

Иоп

Рис. 7.24. Датчикпараметровветра М-63М.

1- ветроприемный винт; 2– флюгарка; 3 и 3'косозубые шестерни; 4- Медныйстакан; 5и 5' - ферритовыестержни; 6 и 6' –герконы; 7 –магнит

216

Датчик параметров ветра М-63М помещается на мачте высотой 9 м. Внешний виддатчика и его внутреннееустройство показаны на рис. 7.24. Ветроприемный винт (1) вращается ветром, его угловая скорость вращенияявляетсяфункцией скоростиветра. Флюгарка(2)ориентируется в зависимости от направления ветра. Две косозубые шестерни (3) и (3') вращаются вместе с винтом. Они имеют одинаковое количество зубцов и поэтому вращаютсясодинаковойскоростью.Медный стакан (4)вместе с ферритовым стержнем (5) вращается в вертикальной плоскости, а шестерня (3') вместе с ферритовым стержнем (5') - в горизонтальной плоскости.Триимпульсатора,расположенныерядомсшестернями,генерируют импульсы в момент прохождения ферритового стержня над любым из импульсаторов. Этоимпульсаторы опорной серии -Иоп, основной серии - Иос и сдвинутой серии -Исд. Импульсатор опорной серии расположен так, что над ним периодически проходит ферритовый стержень (5). Импульсаторы основной и сдвинутой серии расположены под шестерней (3') и над ними с той же частотой проходит стержень (5'). Поскольку частота всех трёх серий одинакова, то для измерения характеристик скорости ветра достаточно измерить частоту импульсов любой серии.

Для того чтобы понять, как измеряется направление ветра, обратим внимание на то, что между импульсами опорной и основной серии (или опорной и сдвинутой серии)имеетсясдвигпофазе. Датчикориентирован так, что когда ветер имеет северное направление, импульсы опорной и основной серии генерируютсяодновременно. Если женаправлениеветра изменяется, то флюгарка поворачивается и вместе с ней поворачивается шестерня (3'). Следовательно, в тот момент, когда феррит (5) оказывается над импульсатором ОП, ферритовый стержень (5')занимает другоеположениеотносительноимпульсатора ОС. Появляетсяфазовый сдвиг между импульсами опорной и основной серии, который зависит от направления ветра. Следовательно, для измерения направления ветра необходимо измеритьвеличинуфазовогосдвига, т.е.отношение t/T (рис.7.25),поскольку фазовый сдвиг φ = (t/T) 360 .

Но величина фазового сдвига между основной и сдвинутой серией постоянна и равна 180° (рис. 7.25), как следует израсположения импульсаторов ОС и СД(рис. 7.24). Следовательно, для измерения направления ветра можно измерить фазовый сдвиг ОП - СД, но при этом необходимо предусмотреть вторую шкалу, сдвинутую на 180° .

Теперь рассмотрим работу импульсатора. Он представляет собой изменённый блокинг-генератор, поэтому прежде всего рассмотрим работу

217

держатся две катушки L1 и L2. Катушки содержат одинаковое число витков и намотаны в разных направлениях (встречно). Следовательно, магнитные поля, возникающие в этих катушках при протекании по ним тока, гасят друг друга. Трансформаторная связь не возникает, блокинггенератор не работает.

Однако в момент прохождения над сердечником импульсатора ферритового стержня индуктивность катушки L1 несколькоповышается и на короткоевремя появляетсяположительная обратнаясвязь. Блокинг-гене- ратор успевает сгенерировать пакет колебаний (рис. 7.27, а). Однакоколебательный контур шунтируется диодом VD, который замыкает контур во время положительного полупериода колебаний тока. Таким образом, остаётсятолькоотрицательныйполупериод(рис. 7.27, б). Нопараллельно выходному сопротивлению R2 включен конденсатор С2, который играет роль детектирующей ёмкости, так как он не успевает разряжаться в промежуткемеждукороткимиотрицательными полупериодами. Врезультате, пакет колебаний (рис. 7.27, а) преобразуется в отрицательный импульс (рис. 7. 27,в), который возникаетна выходекаждый разприпрохождении ферритовогостержня над импульсатором. Эти импульсы (от всех трёх импульсаторов) транслируются по кабелю в измерительный блок.

a)

б)

в)

Рис.7.27. Эпюры напряжения

Для преобразования импульсов в положительные и для фильтрации помех импульсы подаютсяна формирователи, которыенаходятся в измерительном блоке. Формирователей всеготри, поодномунакаждуюсерию импульсов (Фоп, Фос и Фсд) (рис. 7.28). На выходе формирователей будут положительные импульсы, частота которых зависит от скорости ветра, а фазовый сдвиг ОП-ОС (или ОП-СД) от направления.

Канал измерения средней скорости ветра. Для измерения средней скоростиветраза10мин.необходиморешитьпоменьшеймере,двезадачи.

1. Пропускать импульсы в измерительный канал в течение 10 мин.

219