Датчик облачности

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для обеспечения работы наземных оптических средств и астрономических установок в автоматическом режиме с целью получения информации об облачности.
Известно устройство, которое содержит расположенные последовательно на визирной оси объектив с полем зрения 180° и высокочувствительную телевизионную камеру (ТВ-камеру), помещенные в корпус. Видеосигнал с ТВ-камеры поступает на вход блока накопления кадров, где из него вычитается темновой фон, и исключаются геометрические искажения. Полученное телевизионное изображение, содержащее информацию о протяженных объектах (например, облаках, подсвеченных Луной), и точечных объектах (телевизионных звездах), поступает в формирователь видеосюжета, где на него накладываются изображения координатной сетки, конфигурации созвездий и положение основных звезд из блока запоминания звездного каталога. Информация об облаках, телевизионных звездах с наложенной сеткой, каталожными созвездиями и основными каталожными звездами выводится на экран дисплея [1].
Наиболее близким к заявляемому устройству является решение с инфракрасным датчиком [2]. Датчик облачности содержит приемник инфракрасного излучения, направленный в зенит, и датчик температуры. Инфракрасное излучение, регистрируемое вертикально ориентированным датчиком инфракрасного излучения на базе микросхемы MLX90614 [4], зависит от наличия отражающих объектов в атмосфере и, при наличии облачности, становится больше. В качестве реперной информации используется показания датчика температуры воздуха вблизи земной поверхности. При разнице между температурой воздуха у Земли и показаниями инфракрасного датчика более 20 градусов можно с уверенностью утверждать, что облачности нет, при разнице менее 5 градусов можно с уверенностью утверждать, что облачность есть. Тем не менее, диапазон неопределенности составляет около 15 градусов, что дает заметную погрешность в оценке наличия облачности. Заметный вклад в погрешность дает точность измерения температуры воздуха у Земли. Датчик температуры воздуха подвержен воздействию мешающих факторов, например, нагреву солнечным излучением, и вносит дополнительные ошибки в процесс измерения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является уменьшение погрешности в оценке наличия облачности.
Указанный технический результат достигается тем, что известный датчик облачности, содержащий вертикально ориентированный приемник инфракрасного излучения и датчик температуры, снабжен дополнительным горизонтально ориентированным приемником инфракрасного излучения.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, где изображена функциональная схема устройства.
1 - корпус прибора с отверстиями для приемников инфракрасного излучения, 2 и 3 - приемники инфракрасного излучения, 4 - датчик температуры, 5 - микроконтроллер, 6 - индикатор.
Датчик облачности состоит из корпуса 1 с отверстиями, в которых смонтированы приемники инфракрасного излучения 2 и 3, подключенные к расположенному в корпусе микроконтроллеру 5. Также к микроконтроллеру подключен датчик температуры 4 и индикатор 6, на котором отображается полученная информация.
Работает устройство следующим образом.
Принимается сигнал вертикально ориентированным датчиком инфракрасного излучения 2 и его показания записываются в микроконтроллер 5, в качестве которого используется микроконтроллер Raspberry pi [3]. В качестве датчика используется микросхема MLX90614 в соответствии с ее техническим описанием [4]. По показаниям вертикально ориентированного датчика инфракрасного излучения 2 определяется радиояркостная температура атмосферы в зените над точкой наблюдения. Принимается сигнал горизонтально ориентированного датчиком инфракрасного излучения 3, и по его показаниям определяется радиояркостная температура атмосферы на уровне Земли над точкой наблюдения. Из показаний горизонтально ориентированного датчика инфракрасного излучения в микроконтроллере 5 вычитаются показания вертикально ориентированного датчика инфракрасного излучения. Результат отображается индикатором 6.
Если разница более 14 градусов, то атмосфера безоблачная. Если разница менее 4 градусов, то это соответствует сплошной облачности. Случаи с разницей от 4 до 14 градусов соответствуют облачности с разрывами.
В отличие от показаний датчика температуры, которые определяются измеренной им с некоторой погрешностью температурой воздуха, сигнал горизонтально ориентированного датчика инфракрасного излучения зависит только от радиояркостной температуры именно прилегающего к Земной поверхности слоя воздуха. Это улучшает сопоставимость показаний, так как измеряются одинаковые характеристики. Сравнение сигналов однотипных датчиков даст уменьшение погрешности в оценке наличия облачности.
Датчик температуры в заявляемом устройстве используется для контроля работоспособности всего устройства. Радиояркостная температура при подобной схеме измерений всегда меньше термодинамической. Поэтому превышение значений радиояркостной температуры инфракрасных датчиков значения температуры по показания датчика температуры будет свидетельствовать о неисправности инфракрасных датчиков.
Техническим результатом, обеспечиваемым конструкцией заявленного датчика облачности, является уменьшение погрешности в оценке наличия облачности за счет сравнения двух радиояркостных температур.
Для проверки правильности технического решения было изготовлено два датчика облачности. Они были проверены на полигонах в г. Долгопрудном (как днем, так и ночью) и Амдерме (полярная ночь). Эксплуатировались одновременно два датчика для подтверждения сопоставимости результатов.
Одновременно с измерением разности показаний проводились метеорологические наблюдения. Результаты параллельных метеорологические наблюдений за наличием/отсутствием облачности полностью подтвердили работоспособность датчика облачности и правильность выбранного решения.
Предполагается внедрение полезной модели в местах установки наземных оптических средств и астрономических установок в автоматическом режиме.
Источники информации.
1. Патент РФ на изобретение №2436133. Кл. G01W 1|04 от 10.12.211
2. Инфракрасный датчик облачности. С.В. Назаров, О.Е. Кутков. Крымская астрофизическая обсерватория РАН. Тр. Пулковской молодежной астрономической конференции 2016. С.П.т
3. https://www.raspberrypi.org/
4. http://www.platan.ru/news/MLX90614.shtml.