УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ОСАДКОВ КАПЕЛЬ ИЗ ВЫБРОСОВ ВОДЫ В АТМОСФЕРУ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу, и может быть использована в системах экологического мониторинга атмосферы и контроля промышленной безопасности.
Уровень техники
Известны устройства для анализа осадков, реализующие сбор их в специальные емкости и определение объема или массы выпавших осадков в единицу времени (Стернзат М.С. Метеорологические приборы и наблюдения, Гидрометеоиздат, 1968, с. 166-172; И.В. Литвинов, Осадки в атмосфере и на поверхности земли, Гидрометеоиздат, Москва, 1980, 208 с). Однако, данные устройства не позволяют дистанционно получать данные об интенсивности и количестве осадков из облаков и водяных выбросов с определением размера крупных капель в осадках.
Известно оптико-акустико-электронное устройство для определения анализа осадков, в котором происходит преобразование количества капель осадков в число электрических импульсов за счет прерывания каплями луча лазера, а также звукового сигнала с помощью мембраны и микрофона в электрический сигнал (Патент США №3882381). Его недостатком является возможность помутнения оптики от осадков, а также не возможность одновременно измерять количество осадков крупных капель и их размеры в атмосфере.
Известны радиолокационные устройства для дистанционного анализа осадков капель из облаков в атмосфере, включающее радиолокационную станцию (РЛС) зондирования атмосферы, подключенную к блоку автоматической обработки данных, и осадкомер для ее калибровки (A.М. Боровиков, В.В. Костарев, И.П. Мазин и др., Радиолокационные измерения осадков, Ленинград, Гидрометеорологическое издательство, 1967, 139 с; И.В. Литвинов, Осадки в атмосфере и на поверхности земли, Гидрометеоиздат, Москва, 1980, 208 с). Используя полученные данные, находят коэффициенты корреляционных функций с учетом типов облачности и осадков, которые затем используются для анализа осадков. Их недостатком является наличие «мертвой зоны» и невозможность одновременного анализа количества осадков капель и их размеров.
Известен индикатор атмосферных осадков, содержащий измерительный конденсатор, выполненный в виде секционной обмотки с распределенной емкостью, образованной двумя изолированными проводниками, блоки обработки сигнала и регистратор (Авторское свидетельство СССР №607168). В индикаторе атмосферных осадков изменение емкости конденсатора под действием осадков, попадающих внутрь обмотки, преобразуется в последовательность электрических импульсов, частота следования которых пропорциональна интенсивности осадков. Однако, данное устройство характеризуется низкой точностью измерения интенсивности осадков, поскольку интенсивность осадков определяется как количеством капель в единицу времени, так и размером капель. В данном же устройстве интенсивность осадков определяется только по переменной частоте следования электрических импульсов равной длительности. Поэтому результат измерения не зависит от размеров капель, что приводит к наличию существенных погрешностей анализа осадков.
Известен индикатор атмосферных осадков в виде электродинамического логометра, содержащий первый измерительный конденсатор, открытый для свободного прохождения осадков через пространство между обкладками, выполненные в виде секционной обмотки с распределенной емкостью, образованной двумя изолированными проводниками, второй измерительный конденсатор, идентичным первому, но закрытый от проникновения осадков, и блок преобразования изменений емкости первого измерительного конденсатора в выходной сигнал (патент РФ №2097797). Его недостатком является не возможность определения количества интенсивных осадков капель из выбросов воды с одновременным анализом в осадках размеров крупных капель.
Известно устройство для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу, описанное в статье А.В. Загнитъко, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Анализаторы интенсивных осадков капель топливных жидкостей и воды, РФ, Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 153-154. Устройство содержит два параллельных электрода плоского электрического конденсатора, расположенных вертикально на дне горизонтального накопителя осадков в виде диэлектрической ванны, электронный блок для измерения электрического сопротивления между пластинчатыми электродами при накоплении осадков капель воды и передачи данных к компьютеру, удаленному на расстояние до 1200 м. Изменение сопротивления между пластинчатыми электродами от времени пропорционально количеству или интенсивности заполнения межэлектродного объема осадком капель воды. Недостатком данного устройства является невозможность одновременного анализа осадков и размеров крупных капель в осадках из выбросов воды в атмосферу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа интенсивных осадков капель воды в атмосфере (патент РФ на полезную модель №198802), включающее накопитель осадков капель в виде диэлектрической ванны на дне которой расположены два плоских сплошной и сетчатый электроды электрического конденсатора, подключенные к электронному блоку для измерения его электрической емкости С при накоплении осадков капель с передачей данных в компьютер, установленный горизонтально на верхнем торце накопителя осадков в виде диэлектрической ванны набор струнных решеток с переменным шагом от 1 до 10 мм из параллельных и токопроводящих нитей диаметром от 100 до 200 мкм, поочередно подключенных к делителю напряжения и к земле, причем каждая нить, подключенная к делителю напряжения, соединена с индивидуальным каналом аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) электронного блока набора струнных решеток для измерения размеров капель и передачи данных в компьютер. Данное устройство позволяет осуществлять одновременное измерение распределения диаметров крупных капель в осадках и количество осадков V по изменению емкости С от времени Ее величина пропорциональна V.
Недостатком устройства по прототипу является необходимость осуществления его калибровки для разных типов воды, существенно отличающихся электрическим сопротивлением (например, морская и водопроводная), а также ограниченный диапазон измерения количества интенсивных осадков при их длительном анализе, поскольку измеряемое количество V ограничено объемом межэлектродного пространства. Оптимальное расстояние между электродами составляет Н(к)=5-10 мм, а максимальное не превышает 15 мм, поскольку с увеличением расстояния Н(к) емкость С уменьшается обратно пропорционально Н(к), возрастает влияние краевых эффектов и электрических проводов на точность измерения малых значений С<100 пФ. Наконец, при полном заполнении объема электрического конденсатора осадком воды его анализ прекращается и, далее, имеет место более чем 100% ошибка их измерения.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель является унификация конструкции устройства для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является унификация конструкции устройства для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу и расширение его функциональных возможностей путем увеличения точности измерения количества интенсивных осадков капель из выбросов воды с одновременным определением их размеров в осадках за счет существенного расширения верхнего диапазона анализа количества интенсивных осадков по сравнению с устройством по прототипу.
Для достижения технического результата устройство для измерения интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу, включающее накопитель осадков капель в виде диэлектрической ванны, установленной горизонтально, на дне которой расположены параллельные плоский и сетчатый электроды, подключенные к электронному блоку, закрепленный на верхнем торце накопителя осадков капель в виде диэлектрической ванны набор струнных решеток для измерения размеров капель с переменным шагом от 1 до 10 мм из параллельных и токопроводящих нитей диаметром от 100 до 200 мкм, поочередно подключенных к делителю напряжения и к земле, причем каждая нить, подключенная к делителю напряжения, соединена с индивидуальным каналом аналогово-цифрового преобразователя электронного блока набора струнных решеток отличающееся тем что, параллельные плоский и сетчатый электроды установлены вертикально на дне горизонтально расположенной диэлектрической ванны накопителя осадков капель, плоский электрод собран из набора одинаковых, токопроводящих пластин, закрепленных параллельно и раздельно друг от друга на диэлектрической пластине, а каждая токопроводящая пластина, подключена к делителю напряжения и соединена с индивидуальным каналом аналогово-цифрового преобразователя электронного блока набора одинаковых токопроводящих пластин и сетчатого электрода, при этом токопроводящие пластины замыкаются на сетчатый электрод через высокоомные резисторы.
Вертикальная установка параллельных плоского и сетчатого электродов на дне горизонтально расположенной диэлектрической ванны накопителя осадков капель, изготовление плоского электрода в виде набора горизонтальных, одинаковых, токопроводящих пластин, установленных параллельно и отдельно друг от друга на диэлектрической пластине, подключение каждой токопроводящей пластины к делителю напряжения и ее соединение с индивидуальным каналом аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) электронного блока набора одинаковых токопроводящих пластин и сетчатого электрода с передачей данных в компьютер, позволяет расширить функциональные возможности заявленной полезной модели путем увеличения точности измерения количества интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу с одновременным определением их размеров в осадках за счет существенного расширения верхнего диапазона анализа количества и интенсивности осадков по сравнению с устройством по прототипу.
Оптимальное расстояние между вертикальными и параллельными плоским и сетчатым электродами не превышает 5 мм. Горизонтальные, параллельные и одинаковые, токопроводящие пластины в количестве от 20 до 50 штук закреплены на диэлектрической пластине раздельно на расстоянии от 1 до 2 мм друг от друга. Их длина составляет 5-15 см.
Осадок капель воды через сетчатый электрод поступает в межэлектродное пространство, которое сверху закрыто зонтиком для устранения попадания капель сверху на плоский и сетчатый электроды, что искажает результаты измерений количества осадков.
Анализируемый осадок капель воды по мере увеличения ее уровня за счет накопления осадка между вертикальными и параллельными плоским и сетчатым электродами последовательно замыкает параллельные, одинаковые и подключенные к делителю напряжения +3,3 В токопроводящие пластины, на сетчатый электрод через высокоомные резисторы. В результате напряжение на сетчатом электроде пропорционально уровню воды, а высокоомные резисторы нивелируют влияние сопротивления воды различного химического состава (морская, грунтовая, водопроводная и т.п.) на напряжение сетчатого электрода. Напряжение с сетчатого электрода поступает на повторитель с высоким входным сопротивлением на операционном усилителе. С его выхода сигнал поступает на многоканальный АЦП, а, далее, через интерфейс типа RS485 в удаленный компьтер. Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением типа AD8615, источник питания до +3,3 В, АЦП и интерфейс RS485 входят в состав электронного блока набора токопроводящих пластин и сетчатого электрода с передачей данных в компьютер для их обработки. Таким образом, уровень воды или количество осадков капель определяется числом замкнутых контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин на сетчатый электрод и выбранным расстоянием между ними, а интенсивность осадков капель определяется по скорости измерения замыкания контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин на сетчатый электрод.
Технически надежно измеряемый уровень воды между вертикальными, параллельными плоским и сетчатым электродами может достигать высоты более 100-150 мм в зависимости от расстояния между горизлонтальными, параллельными и одинаковыми токопроводящими пластинами и их количества, что существенно превосходит расстояние между электродами конденсатора H(к) ≤15 мм в устройстве по прототипу. В результате в заявляемом устройстве существенно расширяется верхний диапазон измерения количества осадков и, соответственно, повышается точность их измерения по сравнению с прототипом.
Чувствительность заявляемого устройства при измерении осадков капель определяется разрядностью АЦП и количеством резисторов в делителе напряжения. Количество резисторов в несколько раз меньше, чем разрядность АЦП для получения достоверных отсчетов замыкания контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин на сетчатый электрод. В заявляемом устройстве используется 20-разрядный АЦП, входящий в состав микропроцессора STM32F030K6T6. Делитель напряжения включает от 50 до 100 резисторов. При шаге или расстоянии 1 мм между соседними параллельными и одинаковыми токопроводящими пластинами в количестве до 50 штук с шириной 1 мм измеряется изменение уровня воды в пределах 100 мм. Микропроцессор рассчитывает ее количество и передает данные в компьютер. Быстродействие устройства составляет τ ≈ 0,01 с на один отсчет.
Набор параллельных струнных решеток расположен перпендикулярно направлению движения капель воды. В исходном состоянии на всех входах многоканального АЦП электронного блока набора струнных решеток устанавливается напряжение близкое к напряжению питания +(3-3,3) В. При прохождении потока капель сквозь струнную решетку каждый канал АЦП замыкается на землю через некоторое сопротивление, обусловленное проводимостью воды и размерами капель, одновременно касающихся двух соседних тонких токопроводящих нитей. Сигнал замыкания нитей регистрируется быстродействующим АЦП электронного блока набора струнных решеток. На его входе возникает напряжение, колеблющееся в диапазоне от трех вольт до нуля. Варьируя шаг струнных решеток от 1 до 10 мм можно определять распределение капель по диаметру с d ≥ 1 мм. Частота замыканий нитей позволяет вычислять распределение капель в осадках.
В результате осуществляется одновременное измерение различных фракций размеров капель в осадках с помощью набора струнных решеток с различным шагом, а также их количество и интенсивность с помощью вертикального установленных на дне горизонтально расположенной диэлектрической ванны накопителя осадков капель, сетчатого электрода и плоского электрода, собранного из набора одинаковых и разделенных токопроводящих пластин, закрепленных параллельно и отдельно на диэлектрической пластине.
Это позволяет улучшить технические характеристики заявленной полезной модели и расширить ее функциональные возможности путем увеличения точности измерения количества и интенсивности осадков капель из выбросов воды различного химического состава с одновременным определением их размеров в осадках за счет расширения верхнего диапазона измерения количества и интенсивности осадков более чем в 5 раз по сравнению с устройством по прототипу.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема устройства для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу, на фиг. 2 приведена принципиальная измерительная схема набора струнных решеток из электропроводящих нитей, на фиг. 3 показан вид сбоку плоского электрода из набора токопроводящих пластин на диэлектрической пластине, на фиг. 4 показана электрическая схема измерения осадков капель между электродами, где:
1 - плоский электрод, установленный вертикально;
2 - сетчатый электрод, установленный вертикально;
3 - осадок капель из выбросов воды в атмосферу;
4 - накопитель осадка капель в виде прямоугольной ванны;
5 - набор одинаковых токопроводящих пластин, закрепленных параллельно и раздельно на диэлектрической пластине 6;
6 - диэлектрическая пластина;
7 - торец накопителя осадка капель воды, на котором закреплена струнная решетка 11;
8 - электронный блок набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер;
9 - многоканальный аналогово-цифровой преобразователь электронного блока набора струнных решеток 11;
10 - электронный блок набора струнных решеток;
11 - набор струнных решеток из электропроводящих нитей;
12 - зонтик из диэлектрика для устранения попадания осадка капель сверху в межэлектродное пространство плоского 1 и сетчатого 2 электродов;
13 - компьютер, соединенный с электронными блоками 8 и 10 и удаленный на расстояние до 1200 м от места анализа осадков капель; 5.7, 5.2 … 5.48, 5.49 - паралельные, одинаковые и токопроводящие пластины в наборе 5 плоского электрода 1, расположенные горизонтально;
8.1 - операционный усилитель электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13;
8.2 - аналого-цифровой преобразователь электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13;
8.3 - интерфейс RS485 электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13;
V- количество осадков капель в накопителе 4;
1
U=+3,3 В - напряжение питания делителя набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 от электронного блока 8;
d - расстояние между вертикальными и параллельными электродами 1 и 2;
1
r1, r3 … r97 и r99 - сопротивления делителя напряжения U=+3.3 В.
Δ - расстояние или шаг между одинаковыми и токопроводящими пластинами в их наборе 5, закрепленных параллельно и раздельно на диэлектрической пластине 6;
β - ширина одинаковых и токопроводящих пластин в их наборе 5, закрепленных параллельно и раздельно на диэлектрической пластине 6.
На фиг. 2 принципиальная измерительная схема набора струнных решеток 11 из электропроводящих нитей включает следующие элементы:
14 - диэлектрическая рама для крепления электропроводящих нитей;
15 - делитель напряжения U, включающий первый набор одинаковых, параллельных электрических сопротивлений r1, подключенных к источнику питания электронного блока струнной решетки 10 и к тонким электропроводящим нитям, и второй набор параллельных одинаковых электрических сопротивлений R2, через которые заземлены тонкие и электропроводящие нити;
1
I - решетка из тонких нитей 1.1 r; 1.1 и 1.2r на раме 14 с шагом h;
2
II - решетка из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r на раме 14 с шагом h;
3
III - решетка из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r на раме 14 с шагом h;
4
IY - решетка из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r на раме 14 с шагом h;
1.1r и 1.2r - электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 15 и к АЦП 9, расположенные на раме 14 и заземленные через одинаковые сопротивления R2;
1.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 14;
2.1r и 2.2r - параллельные, тонкие, и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 13 и к АЦП 9; расположены на раме 14 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
2.1 -заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 14;
3.1r и 3.2r - параллельные, тонкие и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 15 и к АЦП 9; расположены на раме 14 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
3.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 14;
4.1r и 4.2r - параллельные, тонкие и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 15 и к АЦП 9; расположены на раме 14 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
4.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 14;
А - точки подключения тонких электропроводящих нитей 1.1r; 1.2r; 2.1r; 2.2r; 3.1r;
3.2r; 4.1r и 4.2r к отдельным каналам АЦП 9;
L - длина тонких электропроводящих нитей;
R2 - набор заземленных и одинаковых сопротивлений делителя напряжения
15, подключенных к тонким электропроводящим нитям;
r1 - набор одинаковых сопротивлений делителя напряжения, подключенных к напряжению питания U и к тонким электропроводящим нитям;
1
h - шаг решетки I из тонких нитей 1.1r; 1.1 и 1.2r на раме 14 с;
2
h - шаг решетки II из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r на раме 14;
3
h - шаг решетки III из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r на раме 14;
4
h - шаг решетки 1Y из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r на раме 14;
U=+(3-3,3) В - напряжение питания делителя 15 решетки 11 от источника питания электронного блока струнной решетки 10.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу. Устройство содержит накопитель осадков капель 3 в виде диэлектрической ванны 4, установленной горизонтально, на дне которой вертикально расположены параллельные плоский 1 и сетчатый 2 электроды. Плоский электрод 1 собран из набора одинаковых токопроводящих пластин 5, закрепленных параллельно, горизонтально и раздельно на диэлектрической пластине 6, а каждая горизонтальная токопроводящая пластина, подключена к делителю напряжения и соединена с индивидуальным каналом АЦП электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13.
На торце 7 накопителя осадков капель 4 установлена прямоугольная диэлектрическая рамка 14 на которой закреплен набор струнных решеток 11, подключенных через многоканальный АЦП 9 электронного блока 10 набора струнных решеток для их питания напряжением U, регистрации диаметров капель и передачи данных. Набор струнных решеток 11 выполнен с переменным шагом от 1 до 10 мм из параллельных и токопроводящих нитей диаметром от 100 до 200 мкм, поочередно подключенных к делителю напряжения R2 и к земле, причем каждая нить, подключенная к делителю напряжения, соединена с индивидуальным каналом АЦП 9 электронного блока набора струнных решеток 10 с передачей данных в компьютер 13 по витой паре (фиг. 1 и 2).
Оптимальное расстояние между вертикальными и параллельными плоским 1 и сетчатым 2 электродами d ≤ 5 мм. Горизонтальные, параллельные, одинаковые, токопроводящие пластины в наборе 5 в количестве от 20 до 50 штук закреплены на диэлектрической пластине 6 на расстоянии Δ=1-2 мм друг от друга. Их длина составляет 5-15 см, а ширина β=0,5-1 мм.
Чувствительность заявляемого устройства при измерении осадков капель определяется разрядностью АЦП и количеством резисторов в делителе напряжения. Их количество в несколько раз меньше, чем разрядность АЦП для получения достоверных отсчетов замыкания контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин 5.1, 5.2 … 5.49 на сетчатый электрод 2. Используется 20-разрядный АЦП, входящий в состав микропроцессора STM32F030K6T6 (фирма ST Microelectronics) электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13. Делитель напряжения включает от 50 до 100 резисторов. При β=1 мм и расстоянии Δ=1 мм между соседними контактами горизонтальных, параллельных и одинаковых токопроводящих пластин из набора 5 в количестве 49 штук измеряется изменение уровня воды от 0 до 100 мм. Микропроцессор STM32F030K6T6 рассчитывает ее уровень и передает данные в удаленный компьютер 13 через интерфейс 8.3 типа RS485. Быстродействие устройства при анализе осадков капель составляет τ ≈ 0,01 с на один отсчет.
Осадок капель воды 3 через сетчатый электрод 2 поступает в их межэлектродное пространство, которое сверху закрыто зонтиком 12 из диэлектрика для устранения падания капель сверху на плоский 1 и сетчатый 2 электроды. Это устраняет ошибку измерения количества осадков капель при замыкании токопроводящих пластин вследствие попадания крупных капель сверху на токопроводящие пластины набора 5. Сетчатый электрод 2 выполнен из проволочной тканой сетки с живым сечение ее квадратных ячеек до 90%.
1
Сопротивления r1, r3 … r97 и r99 образуют делитель напряжения с его величиной U=+3.3 В. Анализируемый осадок 3 капель воды по мере увеличения ее уровня за счет накопления жидкости между вертикальными и параллельными плоским 1 и сетчатым 2 электродами последовательно замыкает горизонтальные, параллельные, одинаковые и подключенные к делителю напряжения +3,3 В токопроводящие пластины 5.1, 5.2 … 5.48, 5.49 в наборе 5 на сетчатый электрод 2 через высокоомные около 100 кОм резисторы R2, R4 … R96 и R98. Таким образом, напряжение на сетчатом электроде 2 пропорционально уровню воды или количеству осадка V, а высокоомные резисторы R2, R4 … R96 и R98 нивелируют влияние сопротивления воды различного химического состава (морская, грунтовая и т.п.) на напряжение сетчатого электрода 2. Напряжение с сетчатого электрода 2 поступает на повторитель с высоким входным сопротивлением на операционном усилителе 8. 1 типа AD8615. С его выхода сигнал передается на АЦП 8.2 и, далее, с помощью интерфейса 8.3 типа RS485 в компьютер 13 для обработки и сохранения данных. Операционный усилитель 8.1, источник питания до +3,3 В (на фиг. 1 не показан), АЦП 8.2 и интерфейс 8.3 входят в состав электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13. Таким образом, уровень воды и количество осадков определяется числом замкнутых контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин 5.1, 5.2 … 5.48, 5.49 в наборе 5 на сетчатый электрод 2 и выбранным расстоянием Δ между ними, а интенсивность осадков капель определяется по скорости измерения замыкания контактов параллельных и одинаковых токопроводящих пластин на сетчатый электрод.
Технически надежно измеряемый уровень воды между вертикальными, параллельными плоским 1 и сетчатым 2 электродами может достигать высоты более 100 мм в зависимости от величины шага Δ и количества токопроводящих и параллельных пластин в их наборе 5, что существенно превосходит расстояние H(к) ≤ 15 мм между электродами плоского конденсатора в устройстве по прототипу. В результате в заявляемом устройстве существенно расширяется верхний диапазон измерения количества и интенсивности осадка и, соответственно, повышается точность их измерения во времени по сравнению с прототипом.
1
2
3
4
Установленный на прямоугольной диэлектрической раме 14 набор струнных решеток 11 собран из параллельных четырех струнных решеток I; II; III и IY, содержащих параллельные и электропроводящие нити из вольфрама диаметром от 100 до 200 мкм (фиг. 2). Решетка I включает нити 1.1r; 1.1 и 1.2r с шагом h. Решетка II содержит нити 2.1r; 2.1 и 2.2r с шагом h. Решетка III включает нити 3.1r; 3.1 и 3.2r с шагом h. Решетка IY состоит из нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r с шагом h. Делитель напряжения 15, к которому подключены концы набора электропроводящих нитей струнных решеток 11 состоит из сопротивления r1, соединенного с источником питания +3,3 В, и заземленного сопротивления R2, величина которого R2 >> r1. Значение r1 выбирается соизмеримым с сопротивлением анализируемых капель воды.
i
i
Длина тонких и электропроводящих нитей каждой струнной решетки составляет L=10-20 см и существенно больше их диаметра D=100-200 мкм и шага решетки h=1-10 мм. Оптимальные значения их шага h=1; 2,5; 5 и 10 мм, где i=1; 2; 3 и 4. Техническое изготовление струнной решетки с шагом h < 1 мм затруднительно. Увеличение h > 10 мм нецелесообразно, так как диаметры капель воды в атмосфере, достигающих поверхности земли, как правило, d ≤ 5-10 мм, вследствие их аэродинамического дробления атмосферными воздушными потоками (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 с. 1987). Шаг струнной решетки h>>D. Тонкие нити выполнены из вольфрама. Выбор их диаметра от 100 до 200 мкм определяется требованиями механической прочности при натяжении нитей на диэлектрической раме и отношением величин h/D>>1.
Набор параллельных струнных решеток 11 расположен перпендикулярно направлению движения капель воды. В исходном состоянии на всех входах многоканального АЦП 9 устанавливается напряжение близкое к напряжению питания +(3-3,3) В. При прохождении потока капель сквозь струнную решетку каждый канал АЦП 9 замыкается на землю через некоторое сопротивление, обусловленное проводимостью воды и размерами капель, одновременно касающихся двух соседних тонких токопроводящих нитей. Сигнал замыкания нитей регистрируется быстродействующим АЦП 9 электронного блока 10 набора струнных решеток 11. На его входе возникает напряжение, колеблющееся в диапазоне от трех вольт до нуля. Варьируя шаг струнных решеток от 1 до 10 мм можно определять распределение капель по диаметру c d ≥ 1 мм. В заявляемом устройстве использовался микропроцессор STM32L152RBT6A ST Microelectronics с 20-канальным АЦП 9. Его быстродействие составляло 1 мс с передачей данных по интерфейсу RS485 в компьютер 13.
При анализе осадков капель из выбросов воды в атмосферу устройство устанавливается на мачте высотой от 0,5 до 3 м.
i
В результате осуществляется измерение различных фракций размеров капель в осадках 3 с помощью набора струнных решеток 11 с различным шагом h. Одновременно, измеряется количество интенсивных осадков 3 с помощью вертикального установленных на дне горизонтально расположенной диэлектрической ванны 4 накопителя осадков капель 3, сетчатого электрода 2 и плоского электрода 1, собранного из набора одинаковых и разделенных токопроводящих пластин 5, закрепленных горизонтально, параллельно и отдельно на диэлектрической пластине 6. Таким образом, достигается технический результат заявляемого устройства. Пример.
5
3
Анализировались при температуре 5-7°С осадки капель диаметром d ≈ 100-10000 мкм из выброса грунтовой воды объемом более 10 м в виде затопленной струи в атмосферу. Сигнал с устройства, расположенного на мачте высотой 0,5 м и на расстоянии 10 м от центра выброса воды, был синхронизирован с временем начала ее выброса.
Оптимальное расстояние между вертикальными и параллельными плоским 1 и сетчатым 2 электродами d=4 мм. Горизонтальные, параллельные, одинаковые, токопроводящие пластины 5.1, 5.2 … 5.49 из меди в наборе 5 в количестве 49 штук были закреплены на диэлектрической пластине 6 из капролона. Расстояние между ними Δ=1 мм, их длина составляла 15 см, а ширина β=0,8 мм.
При регистрации осадков капель использовался 20-разрядный АЦП, входящий в состав микропроцессора STM32F030K6T6 (фирма ST Microelectronics) электронного блока 8 набора токопроводящих пластин 5 и сетчатого электрода 2 с передачей данных в компьютер 13.
Осадок капель воды 3 через сетчатый электрод 2 поступал в их межэлектродное пространство, которое было закрыто зонтиком 72 из капролона для устранения попадания капель сверху на плоский 7 и сетчатый 2 электроды. Сетчатый электрод 2 был выполнен из проволочной тканой медной сетки с живым сечение ее квадратных ячеек около 52%.
1
Сопротивления r1, r3 … r97 и r99 величиной 10 Ом каждое использовались для создания делителя напряжения с его величиной U=+3.3 В. Анализируемый осадок 3 капель воды по мере увеличения ее уровня за счет накопления жидкости между вертикальными и параллельными плоским 1 и сетчатым 2 электродами последовательно замыкал параллельные, одинаковые и подключенные к делителю напряжения +3,3 В токопроводящие пластины 5.1, 5.2 … 5.48, 5.49 на сетчатый электрод 2 через высокоомные 100 кОм резисторы R2, R4 … R96 и R98. Таким образом, напряжение на сетчатом электроде 2 было пропорционально уровню воды или осадка, а 100 кОм резисторы нивелировали влияние электрического опротивления грунтовой воды на напряжение сетчатого электрода 2. Напряжение сетчатого электрода 2 поступало на повторитель с высоким входным сопротивлением на операционном усилителе 8.1 типа AD8615. С его выхода сигнал поступал на АЦП 8.2 и, далее, с помощью интерфейса 8.3 типа RS485 передался в компьютер 13 для обработки и сохранения данных. Микропроцессор STM32F030K6T6 рассчитывал уровень воды до 80 мм и передавал данные в удаленный компьютер 13 через интерфейс 8.3 типа RS485. Быстродействие устройства измерения осадков капель воды составляло τ ≈ 0,01 с на один отсчет. В результате было измерено количество осадков капель из выброса воды от времени. Установлено, что в течение первых 20 с выпало более 80% массы осадков с максимальной интенсивностью около 2 мм/с. Зафиксированный максимальный уровень воды был равен 80 мм.
На прямоугольной диэлектрической раме 14 из капролона были установлены параллельно и последовательно следующие четыре струнные решетки I; II; III и IY из тонких и электропроводящих нитей из вольфрама длиной 15 см и диаметром 200 мкм:
1
I - решетка из тонких нитей 1.1r; 1.1 и 1.2r с h=1 мм;
2
II - решетка из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r с h=2,5 мм;
3
III - решетка из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r с h=5 мм;
4
IY - решетка из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r с h=10 мм.
6
5
В процессе анализа данных использовался микропроцессор с 20-канальным АЦП 9 типа STM32L152RBT6A фирмы ST Microelectronics. Его быстродействие составляло 1 мс с передачей данных по интерфейсу RS485 в компьютер 13. В делителе напряжения 15 сопротивление R2=10 Ом, а величина r1=1.2×10 Ом. Напряжение питания U=+(3-3,3) В.
i
При оптимальных значениях h=1; 2,5; 5 и 10 мм были измерены диаметры капель в их осадке с d ≥ 1 мм; с d ≥ 2,5 мм и с d ≥ 5 мм, а также зарегистрированы капли диаметром более 10 мм. Частота замыканий нитей в решетках I-IY позволила вычислить распределение крупных капель в осадке. В результате, максимумы их счетного и массового распределений по размерам составляли, соответственно, капли с d ≈ 1-2,5 мм и с d ≥ 5 мм.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для анализа интенсивных осадков капель из выбросов воды в атмосферу с прототипом показывает, что заявляемая полезная модель позволяет увеличить точность измерения количества и интенсивности осадков капель из выбросов воды различного химического состава с одновременным определением их размеров в осадках за счет расширения верхнего диапазона измерения количества и интенсивности осадков более чем в 5 раз по сравнению с устройством по прототипу.