Фотоприемное устройство для оптического дисдрометра

Полезная модель относится к измерительной технике, точнее – к устройствам для изменения размеров и скоростей движущихся частиц, преимущественно капель дождя – дисдрометрам, а также определения уровня метеорологических осадков оптическим методом, основным элементом которой является многоэлементный фотоприемник специальной конструкции.
В настоящее время для определения параметров метеорологических осадков, помимо традиционного измерительного цилиндра, используется большое количество электронных устройств с различным принципом действия. Одно из направлений – оптические дисдрометры, позволяющие не только определить уровень метеорологических осадков, но и измерить размерный и скоростной состав осадков. Принцип действия оптических дисдрометров основан на измерении параметров импульсов фототока, возникающих в фотоприемнике при пересечении каплями дождя оптического луча, освещающего фотоприемник. Для большинства конструкций дисдрометров измеряются параметры импульсов, возникающих при пересечении тени (точнее – дифракционной картины) фоточувствительных элементов фотоприемника. Такой метод называется теневым. Существуют также дисдрометры, которые определяют размеры капель по величине рассеянного излучения при различных углах наблюдения. Для капель дождя, которые можно считать сравнительно крупными, лучшую точность измерений дают теневые методы. Поэтому дальнейшее рассмотрение будет посвящено устройствам именно такого типа.
В литературе описано большое количество непосредственно оптических дисдрометров, как некоторого целого устройства, так и различных блоков, вспомогательных электронных и механических устройств, улучшающих параметры дисдрометров. Источником оптического излучения в таких устройствах является полупроводниковый лазер или светодиод с коллимирующим объективом или линзой. Фотоприемное устройство дисдрометров представляет собой один или несколько фотоприемников прямоугольной формы, длина фоточувствительных элементов которых существенно больше ширины, подключенных к усилителю или усилителям фототока или систему диафрагм, собирающую линзу и фотоприемник круглой или прямоугольной, близкой к квадратной, формы. В наиболее простых устройствах размер капли определяют по амплитуде импульса, как например, в устройстве, описанном в работе Лоффера-Манга и Джосса (M. Loffler-Mang, J. Joss. An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors // J. of Atmospheric and Oceanic Technology, 2000, v. 17, p. 130-139). В указанной работе приведен также краткий обзор существующих методов и устройств для определения параметров метеорологических осадков.
Принцип действия еще одного класса оптических дисдрометров основан на расчете размеров падающих капель по параметрам рассеянного излучения, в частности, серийно выпускаемых приборов VPF730 и PWD22 фирмы Вайсала (Vaisala). Принцип работы, краткий обзор приборов и методов дан в статье Шенг-Дже и др. (Jia S.-J., D.-R. Lü and Y.-J. Xuan. An optical disdrometer for measuring present weather parameters // J. Atmos. Oceanic Sci. Lett., 2014, v.7, p. 559–563, doi:10.3878/AOSL20140037). Недостатком устройств данного типа является сильная зависимость результатов измерений от формы капли и наличия в ней каких-либо оптических неоднородностей.
Известны также устройства определение размеров капель дождя в которых производится посредством измерения скорости падения капель и последующим ее пересчетом в диаметр, в частности, используя зависимость скорости от диаметра капли, приводимую в ГОСТ Р 53613-2009 (ГОСТ Р 53613-2009 (МЭК 60721-2-2:1988) «Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Осадки и ветер»). В устройствах данного типа существенную погрешность измерений могут внести восходящие потоки воздуха.
Более совершенным способом определения размеров частиц, в частности, капель дождя, является метод, основанный на измерении параметров импульсов, связанных с формой и, при необходимости, амплитудой импульса. Одним из устройств, позволяющим измерять размеры частиц, в частности капель дождя по параметрам импульса фототока, является устройство, описанное в патенте РФ №119898 (Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков / Пат. РФ №119 898, G01W 1/14, опубл.: 27.08.2012, Бюл. № 24). В этом устройстве используются приборы с зарядовой связью – ПЗС-линейки, а определение размеров производится по количеству затененных элементов ПЗС линейки. Одним из важных достоинств устройств данного типа является, в частности, возможность программного снижения вероятности ошибки измерения размеров капель, тень которых пересекает край (первые и последние элементы ПЗС) фотоприемника, а главным недостатком – сложность многоканальной обработки сигнала в реальном времени.
Простым и надежным способом определения размеров движущихся частиц по параметрам импульса фототока, а также устройство для его реализации описано в работе Дж. Ванга и др. (J.C.F. Wang, D.A. Tichenor. Particle size measurements using an optical variable-frequency-grid technique // Applied Optics, 1981, v. 80, issue 8, p. 1367-1373). Подробное рассмотрение принципа действия таких устройств, а также основных принципов оптимизации параметров фотоприемника для устройств данного типа приводится в работах (Д.В. Кизеветтер, В.И. Малюгин. Одновременное измерение размеров и скорости движущихся частиц // ЖТФ, 2009, Т. 79, №2, С. 90-95; D. Kiesewetter, V. Malyugin. Simultaneous measurements of velocity and size of moving particles // Proc. SPIE Vol. 5381, 2004, p. 200-209, Lasers for Measurements and Information Transfer 2003; Vadim E. Privalov; Ed.). Примером использования оптимизации геометрических параметров конструктивных элементов дисдрометра для уменьшения влияния дифракции света на точность измерения скорости является способ, описанный в авторском свидетельстве №1770911 (Кизеветтер Д.В., Литвак М.Я., Малюгин В.И. Способ определения скоростей частиц / А.с. 1770911, СССР.- БИ.-1992.- №39.). Описания оптической части дисдрометров, включая фотоприемный блок, приводятся, в частности, в материалах докладов (Lai Thi Van Quyen, Nguyen Manh Thang, Nguyen Hong Vu, Nguyen The Truyen, D. Kiesewetter, V. Malyugin. The Optical Disdrometer //Advances in Wireless and Optical Communication (RTUWO), IEEE International conference 2017, 2-3 November, 2017, Riga, Latvia, p. 28-31, ISBN: 978-1-5386-0585-1, DOI: 10.1109/RTUWO.2017.8228499; Lai Thi Van Quyen, Nguyen Manh Thang, Nguyen Hong Vu, Nguyen The Truyen, V. Malyugin, D. Kiesewetter. Device for Measuring Parameters of the Meteorological Precipitation // Proc. XXVI IEEE International Scientific Conference Electronics - ET2017, 2017, p. 1-4, ISBN: 978-1-5386-1753-3, DOI: 10.1109/ET.2017.8124364).
Недостатком указанных фотоприемных устройств для оптических дисдрометров является возникновение существенной ошибки измерений размеров капель при пересечении тенью капли края фотоприемника, т.е. краевой эффект. Величина ошибки зависит от пространственного расположения Для простейшей оценкой вероятности p ошибочных измерений при равномерном распределении капель в пространстве можно использовать формулу:
p=2d/L,
где L – длина фоточувствительных элементов (в случае, если элемент расположен перпендикулярно направлению движения капли), d – диаметр капли. При увеличении длины фоточувствительных элементов уменьшается вероятность возникновения ошибки измерений, но увеличивается емкость фотоприемника и повышается уровень шума. Чем больше L, тем шире должен быть освещающий пучок света. Для типичного размера фоточувствительных элементов фотоприемника (или щелевых диафрагм) – L=30 мм, а диаметрах капель 2…5 мм, вероятность ошибки составляет 13%...33%. Для уменьшения такого влияния и, соответственно, увеличения точности измерений используют программные или аппаратные методы, в частности, фотоприемное устройство со специальной формой фоточувствительных элементов, принятое за прототип и описанное ниже.
1
2
2
2
За прототип полезной модели принято устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР № 1809303 (Кизеветтер Д.В., Литвак М.Я., Малюгин В.И. Устройство для определения скоростей и размеров движущихся частиц / А.с. 1809303, СССР.- БИ.-1993.-№14). Устройство – прототип, снабжено первым и вторым дополнительными фотоприемниками, схема обработки сигнала выполнена в виде последовательно соединенных первого усилителя, первого компаратора и первого ждущего мультивибратора, последовательно соединенных второго усилителя, первого аналогового ключа, второго компаратора, второго ждущего мультивибратора и второго аналогового ключа, третьего усилителя, выход первого ждущего мультивибратора соединен со вторым входом первого аналогового ключа, его вход – со вторым выходом второго компаратора, выход второго аналогового ключа является выходом схемы обработки сигнала, фотоприемный блок выполнен в виде трех фотоприемников, первый из которых выполнен в виде круговой площадки, второй и третий – в виде концентрически размещенных на расстоянии R и R относительно первого фотоприемника кольцевых секторов, диаметр круговой площадки первого фотоприемника и угловую ширину h кольцевого сектора второго фотоприемника выбирают в 2-10 раз меньше среднего размера измеряемых частиц, расстояние R удовлетворяет соотношение R=10-500h, входы первого, второго и третьего усилителей соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего фотоприемников.
В прототипе конструктивно применены отдельные фотоприемники: как рабочие, так и используемые для синхронизации. Однако, если изготовить все указанные выше элементы на одном кристалле, то приведенную выше конструкцию прототипа из нескольких фотоприемников можно рассматривать как один многоэлементный фотоприемник с четырьмя фоточувствительными элементами. Поэтому принцип действия многоэлементного фотоприемника и конструкции из нескольких отдельных фотоприемников одинаковый.
Принцип действия прототипа следующий. Тень от движущихся частиц, в частности от капель дождя, возникающая при пересечении ими коллимированного светового пучка, в случае пересечения первого – синхронизирующего дополнительного фоточувствительного элемента создает импульс фототока (уменьшение фототока при частичном затенении фоточувствительного элемента). Если сигнал превышает некоторый заданный в компараторе уровень, то ждущий мультивибратор вырабатывает импульс с заданный длительностью, открывающий первый аналоговый ключ, разрешающий прохождение через него аналогового сигнала со второго дополнительного фоточувствительного элемента. Если сигнал после первого аналогового ключа превышает заданный для второго компаратора уровень, то второй ждущий мультивибратор формирует импульс заданной длительности, открывающий второй аналоговый ключ, что позволяет прохождение через последний аналогового сигнала с рабочих фоточувствительных областей фотоприемника для последующей цифровой обработки. Если тень от капли не пересекает первый дополнительный фоточувствительный элемент, то синхронизирующий импульс не вырабатывается, сигнал от рабочих фоточувствительных элементов не поступает на выход устройства. То есть производится обработка только тех сигналов, которые формируются тенью капель, пересекающих первый дополнительный элемент, соответственно, при незначительных отклонениях от вертикального падения капель, их тень последовательно пересекает второй дополнительный и рабочие фоточувствительные элементы. Это исключает ошибки измерений, связанные с пересечением тенью края рабочих фоточувствительных элементов.
Следует отметить, что в настоящее время алгоритм работы данного устройства может быть реализован с использованием микроконтроллеров цифровыми методами.
Недостатками прототипа являются: во-первых, длительное время ожидания капли дождя, тень которой пересекает синхронизирующий фотоприемник по сравнению с аналогичным фотоприемником без использования стробирования, что увеличивает время измерений и снижает точность вследствие статистической погрешности. Во-вторых, устройство стробирования для выделения полезного импульса имеет ограниченный диапазон скоростей капель, при котором выделяется только полезный импульс и не захватываются импульсы, генерируемые каплями, тень которых не пересекает основной синхронизирующий фотоприемник. В-третьих, при сильном ветре угол падения мелких капель относительно нормали к поверхности земли может быть больше, чем угловой размер рабочих фоточувствительных элементов (См. выше конструкцию прототипа А.с. СССР №1809303), что приведет к невозможности проведения измерений. Недостатком прототипа является также сложность конструкции. Для устранения указанных недостатков предложена полезная модель, описанная ниже.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, имеющего более широкий рабочий диапазон измерения скоростей падающих капель, большую скорость и точность измерений, а также, менее сложную конструкцию.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что фотоприемное устройство для одновременного измерения размеров и скоростей движущихся частиц, в частности, капель дождя, состоит из двух основных фоточувствительных элементов, дополнительных фоточувствительных элементов для осуществления селекции сигналов по пространственным параметрам отдельных частиц и электронной схемы, при этом, два основных фоточувствительных элемента фотоприемника выполнены прямоугольными, фотоприемник снабжен двумя дополнительными фоточувствительными элементами прямоугольной формы, расположенными перпендикулярно двум рабочим фоточувствительным элементам, верхний край дополнительных элементов расположен на одной линии с наружным краем первого рабочего элемента фотоприемника, а нижний край дополнительных элементов – на одной линии с наружным краем второго рабочего элемента фотоприемника; расстояние от дополнительных элементов до боковой поверхности рабочих элементов задано в пределах от 0,1 до 3 минимальных диаметров измеряемых капель; фоточувствительные элементы подключены к четырем усилителям и многоканальному аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении рабочего диапазона измерения скоростей падающих капель, увеличении скорости измерений, повышении точности измерений и упрощении конструкции устройства.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- Конструкция заявляемого фотоприемника (фиг. 1);
- Структурная схема подключения фотоприемника к микроконтроллеру (фиг. 2);
- Импульсы фототока при различной траектории движения тени капель (фиг. 3);
- Импульсы фототока при различной траектории движения капли (фиг. 4-6);
- Структурная схема лабораторного макета заявляемой полезной модели (фиг. 7);
- Экспериментально измеренные импульсы фототока в лабораторной модели (фиг. 8, 9).
На фигурах 1: 1, 2 – основные элементы фотоприемника, 3, 4 – дополнительные элементы фотоприемника, на фиг. 2: 5, 6, 7, 8 – усилители фототока, 9 – микроконтроллер, 10 – индикатор, на фиг. 3 – возможные траектории движения тени капли: 11 – тень пересекает только основные элементы, 12 – тень пересекает оба основных и оба дополнительных элемента, 13 – тень пересекает один основной и один дополнительный элемент; на фиг. 4 – импульсы фототока в основном и дополнительном элементах фотоприемника при траектории движения 11: зависимость 14 соответствуют фототоку основных элементов, 15 – фототоку дополнительных элементов, на фиг. 5 – импульсы фототока в основном и дополнительном элементах фотоприемника при траектории движения 12: зависимость 16 соответствуют фототоку основных элементов, 17 – фототоку дополнительных элементов, на фиг. 6 – импульсы фототока в основном и дополнительном элементах фотоприемника при траектории движения 13: зависимость 18 соответствуют фототоку основных элементов, 19 – фототоку дополнительных элементов; на фиг. 7: 20 – источник света, 21 – коллимирующая линза (или объектив), 22 – фотодиод заявляемой конструкции, 23 – усилители фототока, 24 – многоканальный аналого-цифровой преобразователь, 25 – персональный компьютер, на фиг. 8, 9 – осциллограммы сигналов с основного и дополнительного элементов фотоприемника: 26, 27 – для случая, когда тень капли пересекает только основные элементы фотоприемника, 28, 29 – для случая, когда тень капли пересекает один основной и один дополнительный элемент фотоприемника.
Заявляемая полезная модель (фиг. 1) состоит из двух основных фоточувствительных элементов 1 и 2 прямоугольной формы и двух дополнительных элементов – 3 и 4. Длина рабочих фоточувствительных элементов на фиг. 1 обозначена буквой L, ширина – W , расстояние между элементами 1 и 2 – H; параметры L, W, H задают в зависимости от требуемого динамического диапазона размера измеряемых капель дождя или частиц града в соответствии с известными методиками (См. выше Д.В. Кизеветтер, В.И. Малюгин. «Одновременное измерение размеров и скорости движущихся частиц» и Lai Thi Van Quyen at al. «The Optical Disdrometer»). Расстояние между основными фоточувствительными элементами (1, 2) и дополнительными элементами (3, 4) – G, выбирают не менее 0,1 от величины минимально измеряемого диаметра капель, если это возможно технически, но не более 3 минимально измеряемого диаметра.
Структурная схема подключения фотоприемного устройства к микроконтроллеру приведено на фиг. 2. Каждый из элементов фотоприемника соединен со входом усилителя фототока (5-8), выходы всех четырех усилителей подключены к входам аналого-цифровых преобразователей (ADC1-ADC4) микроконтроллера 9, микроконтроллер соединен с индикатором 10.
2
Ширина дополнительных фоточувствительных элементов Q принципиального значения не имеет. Важно только, чтобы при пересечении дополнительного элемента тенью капли выходной сигнал был достаточным для его регистрации и последующей цифровой обработки. Для стандартных фотоприемников эта величина 5 мкм … 2 мм. Величина Q равная 0,1 от минимального диаметра измеряемых капель является оценочной и приводится для типичных размеров фотоприемников и стандартной интенсивности светового пучка, формируемого стандартным светодиодом с излучающей площадкой 0,01 … 0,1 мм. Увеличение ширины Q выше указанных значений не будет давать дополнительного положительного технического эффекта – улучшения отношения сигнал – шум, однако увеличит собственные шумы дополнительного элемента фотоприемника и его емкость, соответственно ухудшатся технические характеристики устройства. Максимальное значение Q равное трем также является оценочной величиной. Длина дополнительных фоточувствительных элементов F, являющаяся конструктивной особенностью заявляемой полезной модели, задают равной величине F=2W+H, которую выбирают из следующих соображений. При большей длине увеличивается площадь фоточувствительного элемента, соответственно, увеличивается емкость и величина собственных шумов. Кроме того, увеличивается вероятность того, что во время пересечения тенью капли рабочих фоточувствительных элементов, тень от еще одной капли пересечет дополнительные фоточувствительные элементы, что приведет к исключению полезного сигнала из рассмотрения. Уменьшение длины дополнительных элементов увеличивает вероятность того, что при наклонном относительно нормали к рабочим элементам направлении движения капель, при пересечении тенью края одного из рабочих фоточувствительных элементов, сигнал в дополнительных элементах будет отсутствовать. Следовательно, приведет к ошибке измерений.
1,2
3,4
Принцип действия заявляемой полезной модели следующий (фиг. 3). Фотоприемник, описанный выше, располагают так, чтобы основные фоточувствительные элементы были приблизительно перпендикулярны направлению движения частиц, в частности, для капель дождя – основные фоточувствительные элементы должны быть параллельны поверхности земли. Фотоприемник освещают параллельным световым пучком с хорошей равномерностью интенсивности излучения в площади фотоприемника. Тень от капель, пересекающих оптический пучок, создает импульсы в фоточувствительных элементах фотоприемника вследствие изменения мощности оптического излучения. Если тень пересекает только основные элементы, то в дополнительных элементах импульс фототока не возникает. Схематично траектория движения таких капель на фиг. 3 имеет обозначение 11. В качестве примера на фиг. 4, изображены импульсы фототока в основных I (14) и дополнительных I (15) элементах, соответствующие параллельному соединению основных (1 и 2) и дополнительных (3 и 4) элементов. Тень от капель, пересекающих края фоточувствительных областей может частично пересекать и один из дополнительных элементов (фиг. 3, зависимости 12), соответствующие импульсы (фиг. 5): 16 – для основных областей и 17 – для дополнительных. При наклонном относительно основных элементов направлении движения капель (фиг. 3, зависимости 13) импульс фототока может возникать только в одном из основных элементов (в приведенном примере – в первом) и в одном дополнительном элементе (в приведенном примере – в четвертом) фотоприемника, соответствующие зависимости 18 и 19 на фиг. 6. В этих двух случаях существующие методы обработки импульса не позволят правильно определить размер капли, поэтому при наличии импульса в одном из дополнительных элементов одновременно с импульсом в основном фоточувствительном элементе такой импульс следует исключить из рассмотрения. При стандартной плотности капель дождя вероятность одновременного появления импульсов от двух различных капель сравнительно мала. При наличии ветра, тень от капель дождя пересекает основные элементы фотоприемника под некоторым углом, зависящим от скорости ветра и диаметра капли. В этом случае вероятность пересечения тенью капли бокового края одного из основных фоточувствительных элементов или только одного элемента увеличивается. Поэтому использование заявляемой полезной модели в сложных погодных условиях становится еще более актуальным.
Заявляемое устройство было опробовано на экспериментальной модели, структурная схема которой приведена на фиг. 7 и на специально изготовленном кремниевом фотоприемнике, параметры которого приведены ниже. Экспериментальная модель (фиг. 7) состоит из источника излучения 20 – светодиода, коллимирующей линзы 21 (или объектива), многоэлементного фотоприемника 22, изготовленного из SMD фотодиодов марки BPW34. Каждый из двух основных элементов собран из 5 отдельных фотодиодов, размещенных вплотную друг к другу, выводы всех пяти фотодиодов соединены параллельно. Расстояние между группами фотодиодов – основных элементов, было выбрано равным 4 мм. Дополнительные элементы фотоприемника также были изготовлены из отдельных фотодиодов BPW34 по 3 штуки на один дополнительный элемент, выводы фотодиодов в каждом из двух элементов также соединены параллельно. Расположение элементов соответствует описанию в заявляемой полезной модели. Выходы фоточувствительных элементов подключены к многоканальному усилителю 23, выходы каждого из усилителей – к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 24, который сопряжен с персональным компьютером 25. Представленная структурная схема аналогично схемам, описанным в материалах научных конференций (см. выше, Lai Thi Van Quyen at al. «The Optical Disdrometer» и Lai Thi Van Quyen, Nguyen Manh Thang, Nguyen Hong Vu, Nguyen The Truyen, V.I. Malyugin, D.V. Kiesewetter «Device for Measuring Parameters of the Meteorological Precipitation» Proc. XXVI International Scientific Conference Electronics - ET2017, 2017, p. 1-4, ISBN: 978-1-5386-1753-3, DOI: 10.1109/ET.2017.8124364), но к конструкции фотоприемного блока добавлено два дополнительных фоточувствительных элемента. Основные элементы фотоприемника, формирующий рабочий сигнал, и сигналы с выходов дополнительных фоточувствительных элементов были подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю сопряженного с персональным компьютером. Использование такого лабораторного макета позволило проверить работоспособность заявляемой полезной модели на уже существующем устройстве и выработать технические требование к параметрам заявляемой полезной модели. Примеры импульсов фототока, полученные на лабораторном макете при пересечении тенью частицы (шар с диаметром 3 мм) только площади основных элементов (зависимости 26 и 27) и для случая пересечения одного из дополнительных элементов (зависимости 28 и 29), приведены на фиг. 8, 9. Импульсные сигналы имеют отрицательную полярность вследствие использования не инвертирующего усилителя фототока. Зависимости 26 и 28 (фиг. 8, 9) соответствуют сигналу основных элементов фотоприемника, зависимости 27 и 29 (фиг. 8, 9) – сигналам дополнительных элементов. Следует отметить, что осциллограммы на фиг. 8, 9 для зависимостей 26, 27 и 28, 29 получены при различных скоростях движения тени, а расстояние G (см. фиг. 1) превышало указанную ниже величину для кремниевого фотоприемника вследствие конструктивной невозможности близкого расположения основных и дополнительных элементов с использованием фотоприемников BWP34. Амплитуды импульсов на фиг. 8 и фиг. 9 отличаются вследствие неравномерности освещения элементов фотоприемника в лабораторной модели. Обработка сигналов производилась в персональном компьютере. При наличии импульсного сигнала в одном из дополнительных фотоприемников, превышающего в 3 раза уровень собственных шумов, сигнал, формируемый основным элементом фотоприемника, исключался из рассмотрения. Испытания лабораторной модели фотоприемника подтвердили работоспособность заявляемой полезной модели.
Многоэлементный фотодиод, конструкция которого соответствовала заявляемой полезной модели, был изготовлен из кремния и имел следующие параметры элементов: рабочие элементы фотоприемника: L=20 мм, H=5 мм, W=1,5 мм, дополнительные элементы: Q=1,5 мм, F=8 мм, расстояние между основными (1, 2) и дополнительными (3, 4) элементами G=0,5 мм. Для обработки сигналов использовался микроконтроллер STM32, к которому был подключен жидкокристаллический индикатор. Оценки, произведенные для капельного потока с приблизительно равномерным пространственным распределением и вертикальной траекторией падения капель, полученного в лабораторных условиях, показали, что вероятность ошибочного измерения размеров по сравнению с устройством без использования дополнительных элементов снижается почти на порядок – до 1,5%..2%.
Диапазон измеряемых скоростей частиц в прототипе определяется конструктивными размерами фотоприемника и длительность импульсов ждущих мультивибраторов. Ограничения динамического диапазона скоростей измеряемых частиц в прототипе обусловлено последовательным пересечением всех элементов фотоприемника. В примере реализации устройства прототипа указан диапазон скоростей 0,5 м/с … 15 м/с. Для капель с маленькими размерами или при наличии восходящих воздушных потоков скорость падения капель может быть меньше 0,5 м/с. В заявляемой полезной модели для осуществления селекции импульсов по пространственному положению тени капли относительно элементов фотоприемника принципиальных ограничений на измеряемые скорости частиц не существует. То есть имеет место расширение рабочего диапазона измеряемых скоростей падающих капель как в меньшую, так и большую сторону, если это необходимо.
n
Отношение r количества регистрируемых капель в единицу времени заявляемой полезной модели и в прототипе при одинаковой длине L рабочих элементов можно оценить с помощью формулы:
n
min
ph
min
r=(L-2d)/(d+2d),
min
ph
ph
min
n
где d – минимально измеряемый диаметр капель, d – диаметр кругового фоточувствительного элемента фотоприемника прототипа. Если полагать, что d =1 мм, а для капель дождя d=0,5 мм, то увеличение скорости измерений, т.е. r составляет приблизительно 7,2 т.е. более, чем в 7 раз выше, что подтвердили экспериментально полученные данные.
Увеличение точности измерений по сравнению с прототипом достигается за счет уменьшения статистической погрешности измерений, что особенно важно при малой плотности метеорологических осадков. Для случайного во времени падения капель грубой оценкой статистической погрешности может служить отношение 1/√n, где n – количество измерений. То есть, статистическая погрешность измерений за счет увеличения числа обработанных импульсов, снижается более, чем в 2,5 раза.
Упрощение конструкции полезной модели по сравнению с прототипом достигается за счет отсутствия необходимости использования ждущих компараторов и аналоговых ключей, так как импульсы фототока рабочих и дополнительных элементов возникают приблизительно в одинаковом интервале времени, а в прототипе – последовательно. При цифровой обработке сигналов микроконтроллером данное преимущество заявляемой модели не столь существенно, однако это также дает возможность упростить алгоритм расчетов размеров и скоростей, а также требует меньше оперативной памяти для записи сигналов. Принимая во внимание, что непосредственно алгоритм расчета размеров и скоростей в прототипе и заявляемой полезной модели может быть одинаковый, обработка меньшего количество данных в заявляемой полезной модели дает увеличение скорости обработки сигналов для получения требуемого результата.