ГРАДИЕНТОМЕТР
GRADIENT METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении параметров физического состояния атмосферы и других газообразных или жидких сред, при точных угловых и линейных измерениях.
Известны электронные цифровые датчики для измерения температуры и других параметров атмосферы в конкретной точке (например, датчик температуры DS 18B20 и другие (Шитиков, А. Цифровые датчики температуры от "Dallas Semiconductor". 1 часть / А.Шитиков // Компоненты и технологии. - 2001. - №2. - 76-79)). Ограничением данных устройств является точечный характер полученной информации.
Известны устройства для измерения градиента температуры, включающие один передвигаемый температурный датчик (например, "Устройство для измерения градиента температуры по стволу скважины" Авторское свидетельство №1255711, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 8 мая 1986 г.). Недостатком подобных устройств является определение градиента температуры по измерениям, выполненным в разные моменты времени, что приводит к искажению информации о пространственном распределении температуры временными изменениями состояния среды.
Известны устройства для измерения градиентов температуры, содержащие два термодатчика, установленные в разных точках (прототип). Этот принцип реализован в устройствах, включающих дифференциальные термопары (Лыков А.В. Тепло- и массоперенос. Том 1, 1962, 220 с.). Основными недостатками этих устройств являются определение градиентов только в одном слое, что не позволяет судить о динамике их изменения в пространстве, и необходимость обеспечения защиты датчиков от влияния солнечных лучей и ветра.
Целью изобретения является повышение точности градиентных измерений с определением пространственной динамики градиента посредством изменений конструкции устройства, позволяющих устранить недостатки известных устройств: влияние солнечных лучей и ветровых нагрузок, невозможность определения динамики изменения градиентов в пространстве.
Цель изобретения достигается тем, что в схему устройства введены несколько (не менее трех) измерительных уровней, при этом на каждом уровне конструируется измерительный комплекс, объединяющий в единую конструкцию несколько (не менее двух) одинаковых датчиков, с возможностью изменения расстояния между измерительными комплексами.
Градиентометр содержит телескопическую штангу, на которой не менее чем в трех конкретных точках установлены измерительные комплексы, включающие не менее двух одинаковых датчиков физического состояния исследуемой среды с возможностью изменения расстояния между комплексами и отстояния их от основания штанги, блок с электрической схемой управления процессом измерения и обработки их результатов.
Особенности предложенной конструкции позволяют исключить влияние солнечных лучей и ветровых нагрузок. Это достигается тем, что цифровые датчики, близкие по форме к полуцилиндрам, соединяют плоскими поверхностями. В результате получают форму, близкую к цилиндрической. При такой конструкции общий результат измерения датчиками будет свободен от влияния ориентации измерительного комплекса относительно солнечных лучей и направления воздушного потока, так как влияние упомянутых факторов будет разным для каждого датчика и компенсируется при получении результирующего значения характеристики среды. Возможность изменения расстояний между датчиками позволяет оптимально использовать устройство при различной интенсивности пространственного изменения состояния среды. Изменение расстояния от основания позволяет расширить возможности градиентометра за счет увеличения толщины слоя и числа точек измерения.
На фиг.1 показаны: 1 - телескопическая штанга, 2 - измерительные комплексы, 3 - блок с электрической схемой. На фиг.2 показаны: 1 и 2 - цифровые датчики параметра среды.
1
Полный комплекс измерений параметров состояния среды и вычисления градиентов с динамикой их изменения выполняют в следующем порядке (на примере измерения градиента температуры). Телескопическую штангу 1 (фиг.1) с измерительными комплексами 2 (фиг.1) устанавливают в выбранной точке и плоскости. Автоматика электрической схемы 3 (фиг.1) с микроконтроллером позволяет автоматически измерить и зафиксировать результаты, полученные отдельными датчиками 1, 2 (фиг.2) на один и тот же момент времени τ. На этот же момент времени электрическая схема вычисляет общий результат  для каждого i-го уровня расположения измерительных комплексов.
2
3
2
Для увеличения толщины исследуемого слоя и оптимизации полученных результатов измерительные комплексы смещают посредством телескопической штанги на другие уровни и другие расстояния от основания штанги, например на половину первоначальных расстояний между комплексами, и повторно выполняют измерения и вычисления. Для каждого j-го уровня получают результат  на момент времени τ. Далее конструкцию возвращают в первоначальное положение, повторяют измерения и вычисления, получают результаты  на момент τ. Все результаты измерений приводят к одному моменту времени τ:
.
При такой организации процесса измерений исключается влияние временных изменений состояния среды.
Полученные результаты позволяют вычислить градиенты для каждого отдельного слоя и оценить интенсивность изменения градиента в пространстве:
1
2
3
1
2
3
1
1
i
i
где b - коэффициент обмена, характеризующий интенсивность пространственных изменений состояния среды; t, t и t - значения температуры, измеренные на трех уровнях z, z и z; (grad t) - градиент температуры на начальном уровне z; (grad t) - градиент температуры на уровне z (Вшивкова О.В. Рациональный учет рефракции с применением геодезического градиентометра // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2010. - №1. - С.3-6).