СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОЖДЯ И СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING ABSOLUTE ENERGY CHARACTERISTICS OF RAIN AND CONTROL SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может использоваться для оценки качества полива и оценки работы поливной техники.
Известен способ определения размера и скорости капель дождя, когда фотоэлектрический датчик устанавливают на участке дождевания, регистрируют колоколообразные импульсы, амплитуда которых пропорциональна размеру капли, длительность импульса (время пролета капли через луч света) пропорциональна размеру капли и высоте луча и обратно пропорциональна скорости падения капли. Импульсы регистрируют шлейфовым или электронным осциллографом. По параметрам импульса вручную вычисляют размер и скорость капель [Авторское свидетельство №372482, кл. GO1N 15/02, БИ №13, 1973].
Недостатком данного способа и устройства контроля является то, что в момент измерения и регистрации в луче должна находиться только одна капля. Иначе будет искаженный сигнал, по которому нельзя определить размер и скорость одновременно находящихся в луче капель. Поэтому такой сигнал удаляют и из расчетов исключают часть капель.
Из-за использования двух лучей в фотоэлектрическом датчике время пролета капель через оба луча увеличивается, в результате количество искаженных сигналов (капель) возрастает, их выбраковывают, быстродействие устройства контроля снижается, и просчет капель повышается.
Кроме того, часть капель разбивается о края заборной (приемной) камеры и в этом случае фиксируются искаженные, ложные импульсы, которые также удаляют.
В результате снижается достоверность определения общих абсолютных характеристик дождя, в т.ч. энергетических. Обработку результатов проводит оператор вручную, регистрируют ограниченное количество капель, большая цена деления при регистрации приводит к увеличению погрешности контроля, снижению достоверности получаемой информации, достоверности определяемых абсолютных (общих) показателей качества полива при низкой производительности труда.
Известны способ определения и система контроля размера и скорости капель дождя, наиболее близкие по технической сущности к описываемому изобретению [Патент RU №2330263, кл. GO1N 15/02, БИ №21, 2008].
Способ контроля размера и скорости капель дождя каплемерами дифференцирующего типа, преимущественно фотоэлектрическим датчиком с усилителем, который устанавливают на участке дождевания, с помощью которого автоматически измеряют и регистрируют размер и скорость капель с выбраковкой искаженных сигналов, а затем вычисляют на ЭВМ энергетические характеристики дождя.
Система включает однолучевой фотоэлектрический датчик - каплемер с усилителем, устанавливаемый на участке дождевания и соединенный с блоком измерения амплитуды для определения размера капель и блоком измерения времени (длительности импульса) пролета капли через луч света для определения скорости капель, выходы блоков, каждый из которых последовательно соединен со счетчиком, схемами совпадения и ЭВМ анализатора импульсов, блок выделения сигнала, блок выбраковки ложных (искаженных) сигналов, имеющий выход разрешения регистрации капель, блок управления, содержащий триггер управления для пуска и остановки системы, 2 одновибратора, схему совпадения.
ф
Недостатком данного способа и системы контроля является то, что в момент измерения и регистрации должна находиться только одна капля. Для этих целей в фотоэлектрическом датчике применяют заборную камеру с малой приемной площадью S. Иначе из-за одновременно находящихся в луче капель будет много искаженных сигналов ("налагаемых"), которыми нельзя определять размер и скорость. Такие сигналы удаляют, и исключают из расчетов, многие капли не учитываются, регистрируется ограниченное количество капель. Поэтому резко снижается точность определения абсолютных общих характеристик дождя, в т.ч. энергетических.
Кроме того, часть капель разбивается о края заборной камеры фотоэлектрического датчика и в этом случае фиксируются искаженные, ложные импульсы, которые также удаляют.
В результате также снижается достоверность и точность определения абсолютных общих характеристик дождя, в т.ч. энергетических, общих показателей качества полива, хотя относительные характеристики вероятностно, статистически определяются с высокой точностью из-за контроля и регистрации большого количества капель.
Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности и достоверности определения абсолютных (общих) энергетических характеристик дождя и более достоверной оценки качества работы дождевальной техники.
э
ф
э
ф
i
н
w
W
Поставленная цель достигается тем, что рядом с фотоэлектрическим датчиком на участке дождевания устанавливают дождемер с заданной приемной площадью S, на порядок больше приемной площади фотоэлектрического датчика S (S>10S), включают дождевальную технику, предварительно задают гидравлические параметры (давление, расход), определяющие характеристики дождя, включают систему контроля и одновременно измеряют диаметр d и скорость  каждой капли и первоначальный объем воды в дождемере V, контролируют и регистрируют в заданных пределах количество капель n исходя из вероятностной относительной ошибки δ определения энергетических характеристик дождя, согласно зависимости
э
p
э
э
э
p
н
w
к
э
э/
к
э
к
э
к
э
э
к
э
э
э
к
э
к
э
э
затем прекращают регистрацию капель вручную или автоматически после фиксации заданного количества капель или по заданному времени t и одновременно измеряют конечный зафиксированный (собранный) объем дождевой воды в дождемере V и определяют объем накопления воды V в дождемере за время t согласно зависимости: V=V-V, при помощи ЭВМ анализатора с учетом удельного веса воды γ вначале за счет регистрации большого количества капель n вычисляют с малой статистической ошибкой относительные характеристики дождя, в том числе: средний объем капли V согласно зависимости , среднюю энергию капли , осредненный импульс количества движения капель , а затем восстанавливают через объем воды в дождемере, где нет просчета собираемых капель, вычисляют и определяют общее количество капель N=VV, а потом через это количество определяют абсолютные энергетические характеристики дождя: общую энергию капель W=NW, мощность дождя М=NW/t, и вновь предлагаемую для оценки качества полива энергетическую характеристику (показатель) - плотность энергии дождевого потока (интенсивность энергии воздействия дождя на почву) П=NW/St, количество движения (импульс) капель дождя, собранных дождемером F=Nφ, динамическое давление дождя P=Nφ/St.
э
ф
Поставленная цель достигается тем, что дополнительно включены датчик-дождемер с приемной площадью S на порядок больше приемной площади фотоэлектрического датчика S с преобразователем частоты, устанавливаемого на участке дождевания рядом с фотоэлектрическим датчиком-каплемером, и блок измерения объема дождевой воды в дождемере, в который введены первая и вторая схемы совпадения (схемы И), входы которых соединены с выходом преобразователя частоты дождемера, выходы указанных схем совпадения соединены в анализаторе со входами двух дополнительных счетчиков измерения частоты каждая, выходы данных счетчиков через дополнительные схемы совпадения соединены со входами двух преобразователей частоты в объем воды, выходы которых соединены с блоком сравнения (вычитания) объемов воды в дождемере в конце и начале сбора дождя (проведения опыта), второй вход первой системы совпадения и одновременно вход сборки (схемы И) соединены с выходом пуска триггера управления, выход схемы сборки соединен со входом одновибратора, а его выход - с третьими входами первой и второй схемами совпадения, второй выход останова (стоп) триггера блока управления через инвертор связан со вторым входом второй схемы совпадения и одновременно через второй одновибратор со входами управления дополнительных схем совпадения анализатора, в блок управления дополнительно введены сборка (схема ИЛИ) и блок задания и сравнения, вход которого соединен с разрешающим выходом блока выбраковки ложных сигналов, второй вход соединен с выходом пуска триггера управления, третий и четвертый входы блока задания и сравнения соединены с задатчиками регистрации необходимого количества капель и времени сбора воды в дождемере, выход блока задания и сравнения соединен со входом указанной сборки, второй вход которой соединен с устройством "Стоп", выход сборки соединен со входом останова (Стоп) триггера управления, а второй вход триггера соединен с пуском, выход блока вычитания объемов воды соединен со входом ЭВМ, где производится расчет характеристик дождя.
На фиг.1 изображена блок-схема, на фиг.2 - функциональная схема системы определения абсолютных (общих) энергетических характеристик дождя.
н
к
w
э
Система контроля абсолютных энергетических характеристик дождя включает в свой состав фотоэлектрический датчик 1 с усилителем 2, которые служат для преобразования размера и скорости капель в электрический куполо-колокообразный сигнал (импульс). Амплитуда сигнала пропорциональна размеру капли, а его длительность пропорциональна размеру капли и толщине (высоте) плоскопараллельного луча и обратно пропорциональна скорости капли. Кроме того, система включает блок БИА 3, который служит для измерения амплитуды сигнала (размера капель), блок измерения времени (длительности сигнала) БИВ 4, предназначенный для определения скорости капель, блок выделения сигнала БВС 5, предназначенный для выделения длительности импульса (сигнала) от начала до конца его действия (от начала касания луча до окончательного выхода капли из луча), блок управления БУ 6, блок выбраковки ложных сигналов БВЛС 7, искаженных от наложения капель или их дробления о края приемного устройства фотоэлектрического датчика и анализатор импульсов АИ 8, служащий для измерения сортировки капель по размеру и скорости, датчик-дождемер 9 с преобразователем частоты БПОЧ 10, служащий для преобразования объема воды в дождемере в частоту, блок измерения объема воды в дождемере БИО 11, который содержит инвертор ИНВ 12, сборку Сб 13, одновибратор ОД 14, две схемы совпадения Спн 15 и Спк 16 для разрешения раздельной регистрации частотного сигнала в начальном V и конечном объеме V воды в дождемере, анализатор импульсов 8 дополнительно содержит 2 счетчика Счн 17 и Счк 18, две схемы совпадения Сп 19 и Сп 20, два блока преобразования частоты в начальной и конечной объем воды ПЧОН 21 и ПЧОК 22, раздельно и последовательно соединенные между собой, блок вычитания (сравнения) конечного и начального объема воды в дождемере БВ 23, компьютер ЭВМ 24, блок управления БУ 6 содержит триггер управления Тг 25 с пуском и остановом работы системы, соединенные с его выходом последовательно одновибратор ОД 26, сборка Сб 27, второй одновибратор ОД 28, третий одновибратор ОД 29, схема совпадения Сп 30, а также блок управления БУ 6, который дополнительно содержит блок задания и сравнения БЗС 31, предназначенный для сравнения измеренного и заданного (необходимого) для регистрации количества капель n, необходимого времени t измерения характеристик дождя, и входы которого соединены с разрешающим выходом БВЛС 7 и выходом пуска триггера управления Тг25, и дополнительную схему сборки Сб 32, входы которой связаны с выходом блока БЗС 31 и сигналом стоп, а ее выход соединен со входом стоп триггера управления Тг 25. Кроме того, анализатор импульсов АИ 8 также содержит последовательно и раздельно соединенные счетчики Сч 33, Сч 34 и схемы совпадения Сп 35 и Сп 36 для измерения и регистрации амплитуды и длительности импульса для расчета на ЭВМ и определения размера и скорости капель. Кроме того, блок БИО 11 содержит одновибратор ОД 37, который соединен с выходом инвертора ИНВ 12 данного блока и схемами совпадения Сп 19 и Сп 20, предназначенный для разрешения измерения воды в дождемере.
э
э
э
ф
г
i
н
w
W
Способ определения абсолютных энергетических характеристик дождя заключается в следующем. На участке дождевания устанавливают фотоэлектрический датчик ФД1 с усилителем 2, преобразующий параметры отдельно падающих капель (размер и скорость капли) в куполообразные электрические сигналы. Рядом с фотоэлектрическим датчиком на участке дождевания устанавливают дождемер 9 для сбора дождевой воды, в которой содержится гораздо большее количество капель N, с блоком преобразования объема воды в частоту электрического сигнала БПОЧ 10 и с заданной приемной площадью S, которая на порядок больше приемной площади ФД1 (S>10S,), предварительно задают гидравлические параметры (давление, расход), определяющие характеристики дождя и включают дождевальную технику, включают систему контроля пуском триггера управления Т-25 и одновременно измеряют диаметр d блоком измерения амплитуды БИА 3, счетчиком Сч 33, схемой совпадения Сп 35 разрешения его регистрации в ЭВМ 24, и скорость  каждой капли блоком измерения времени (длительности сигнала) БИВ 4, счетчиком Сч 34, схемой совпадения Сп 36 и ЭВМ 24 и первоначальный объем воды в дождемере 9 V, блоком измерения объема дождевой воды БИО 11, счетчиком Счн 17, схемой совпадения Сп 19, преобразователем частоты в объем воды ПЧОН 21, контролируют и регистрируют в заданных пределах количество капель n исходя из вероятностной статистической относительной ошибки δ определения энергетических характеристик дождя согласно зависимости
г
w
э
p
э
э
э
p
н
w
к
э
э
к
э
к
э
к
э
э
к
э
э,
э
к
э
к
э
э
затем прекращают регистрацию капель вручную остановом триггера управления Т-25, или автоматически через блок БЗС 31 после фиксации заданного количества капель n, или по заданному времени t, и затем измеряют блоком БИО 11, счетчиком Счк 18, схемой совпадения Сп 20 и блоком ПЧОК 22 конечный зафиксированный объем дождевой воды в дождемере V и определяют объем воды V в дождемере блоком вычитания (сравнения) БВ 23 и ЭВМ 24 за заданное вручную время t или автоматически блоком задания и сравнения БЗС 31 его накопления в дождемере за это время согласно зависимости: V=V-V, при помощи ЭВМ 24 анализатора АИ 8 с учетом удельного веса воды γ вначале за счет регистрации большого количества капель n вычисляют относительные характеристики дождя - с малой задаваемой статистической ошибкой средний объем капли V согласно зависимости , среднюю энергию капли , осредненный импульс количества движения капель , а затем восстанавливают через объем воды в дождемере, где улавливают гораздо больше и нет просчета собираемых капель, вычисляют и определяют общее количество капель в дождемере N=V/V, а потом через это количество капель определяют абсолютные энергетические характеристики дождя: общую энергию капель дождя W=NW, мощность дождя М=NW/t, и вновь предлагаемую для оценки качества полива - плотность энергии дождевого потока (интенсивность энергии воздействия дождя на почву) П=NW/St количество движения (импульс) капель дождя, собранных дождемером F=Nφ, динамическое давление дождя P=Nφ/St.
i
u
Работа системы заключается в следующем. Фотоэлектрический датчик - каплемер 1 с усилителем 2 устанавливается на участке дождевания и рядом с ним датчик-дождемер 9, собирающий (интегрирующий) объем дождевой воды, с блоком преобразования объема воды в дождемере в частоту электрического сигнала 10. Сигнал с усилителя У2 фотоэлектрического датчика 1 одновременно поступает на блок измерения амплитуды сигнала БИА 3 и блок измерения времени, длительности сигнала БИВ 4. Блок выделения сигнала БВС 5, связанный с блоками БИВ 4 и БИА 3, формирует и выделяет отдельный информационный сигнал, и в блоках БИА 3 и БИВ 4 формируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна диаметру капли d, а длительность t пропорциональна размеру капли и высоте луча h и обратно пропорциональна скорости . С блока БИА 3 на счетчик Сч 33 поступает определенное количество импульсов, пропорциональное амплитуде, а с блока БИВ 4 на счетчик Сч 34 - количество импульсов, пропорциональное длительности сигнала. Одновременно на блок выбраковки ложных сигналов БВЛС 7 через блоки БИА 3 и БИВ поступают все импульсы (сигналы) с усилителя У2 фотоэлектрического датчика 1. Блок БВЛС производит выбраковку искаженных сигналов, по которым нельзя определять размер и скорость капель, и запрещает их измерять и регистрировать.
i
Теряется часть информации, часть капель не измеряется, не регистрируется. Если поступил сигнал не искаженный, то блок БВЛС дает разрешение на схемы совпадения Сп 35 и Сп 36 о регистрации в ЭВМ 24 анализатора 8 амплитуды и длительности отдельного неискаженного сигнала, где вычисляется и регистрируется в ее памяти диаметр d и скорость  каждой капли.
При поступлении искаженного сигнала блок БВЛС 7 дает команду на сброс ложной (искаженной) информации в счетчиках Сч 33 и Сч 34 и запрет регистрации в ЭВМ 24 через схемы совпадения Сп 35 и Сп 36.
Система контроля начинает работать по команде "Пуск". Триггер управления Тг 25 через одновибратор ОД 26, схему сборки Сб 27, второй одновибратор ОД 28 производит сброс предыдущей информации и готовит счетчики Сч 33 и Сч 34 к приему новой информации с блоков БИАЗ и БИВА, через третий одновибратор ОД 29 открывается схема совпадения Сп 30, одновременно и непосредственно управляемая триггером Тг 25, сигнал с Сп 30 поступает на блок БВС 5, который дает блокам БИАЗ и БИВЧ разрешение измерять параметры информационного сигнала, поступающего с усилителя У2 фотоэлектрического датчика ФД1.
Если сигнал будет искаженный, то блок БВЛС 7 через сборку Сб 27, одновибратор ОД 28 сбросит ранее зафиксированную в счетчиках Сч 33 и Сч 34 ложную информацию и дает команду на разрешение приема следующего информационного сигнала по цепи ОД 29, Сп 30 и БВС 5.
w
э
Кроме того, с триггера управления Тг 25 одновременно поступает сигнал в блок задания и сравнения БЗС 31 разрешения на регистрацию заданного количества измеряемых капель n или времени контроля t и сигнал в блок измерения объема дождевой воды БИО 11 на его сборку Сб 13 и схему совпадения Спн 15 разрешения фиксации начального объема воды в дождемере.
н
Сборка Сб 13 запускает одновибратор ОД 14 на стандартное фиксированное время, сигнал с которого поступает на второй вход схемы совпадения Спн 15, частотный сигнал с блока БПОЧ 10 через третий вход данной схемы совпадения поступает на счетчик Счн 17, в котором фиксируется количество импульсов, пропорциональное начальному объему воды в дождемере V.
w
к
к
к
w
p
н
p
э
э
э
p
н
Чтобы статистическая погрешность δ не превышала заданной при определении относительных, в т.ч. относительных энергетических характеристик дождя (среднеобъемный диаметр капель V, средняя энергия капли W, осредненный импульс количества движения капель φ), блоком БЗС 31 автоматически производится измерение заданного количества капель n согласно ранее указанной зависимости. После их измерения блок задания и сравнения БЗС 31 через сборку Сб 32 дает команду на вход останова (стоп) триггера Тг 25 на прекращение регистрации капель. С выхода останова триггера Тг 25 сигнал поступает на инвертор ИНВ 12 и с его выхода - на сборку Сб 13 и одновременно схему совпадения Спк 16 и одновибратор ОД 37. Схема сборки Сб 13 запускает одновибратор на заданное фиксированное время и через открытую схему совпадения Спк 18 частотный сигнал с блока БПОЧ 10 поступает на счетчик Счк 18, где фиксируется количество импульсов, пропорциональных конечному объему воды V, зафиксированному (собранному) в дождемере 9, и далее через открытые одновибратором ОД 37 схемы совпадения Сп 19 и Сп 20 на преобразователи частоты ПЧОН 21 и ПЧОК 22. Блок вычитания БВ 23 анализатора АИ 8 производит сравнение первоначального V и конечного объема V и определяет объем собранной воды V в дождемере за время измерения и регистрации капель t согласно зависимости V=V-V. Выход блока БВ 23 соединен со входом ЭВМ, где производится расчет характеристик дождя.
ф
Так как происходит просчет капель из-за ограниченного быстродействия системы, выбраковки налагаемых сигналов из-за одновременно присутствующих в луче двух и более капель, количество которых также зависит от приемной площади фотоэлектрического датчика S, которую стремятся уменьшить, и искажаемых из-за раздробления капель о края приемного устройства ФД1, необходимо восстановить абсолютное количество упавших капель.
э
э
ф
э
э
к
э
э
к
э
э
Для этих целей используют дождемер, собранный за время измерения объем воды в дождемере V, который не допускает просчета капель и приемная площадь которого как минимум на порядок больше приемного устройства фотоэлектрического датчика (S>10S), улавливают гораздо больше капель N и далее восстанавливают осредненное фактически собираемое в дождемере количество капель исходя из данного объема V и вычисленного среднекубического объема капли V, по зависимости N=V/V, и далее через данное количество и относительные энергетические характеристики дождя определяют абсолютные энергетические характеристики на приемной площади дождемера S за время сбора воды в дождемере t. За счет того, что с малой статистической погрешностью определяют относительные характеристики дождя и восстанавливают абсолютное количество упавших капель через объем воды в дождемере, резко повышается точность определения абсолютных энергетических характеристик дождя.
Эффективность данного способа и системы контроля подтверждается тем, что позволяют повышать точность определения абсолютных (энергетических) характеристик дождя, более достоверно проводить оценку качества полива, повышать производительность труда операторов-измерителей в десятки-сотни раз при разработке и испытаниях дождевальной техники.