ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСАДКОВ

Полезная модель относится к метеорологическому приборостроению и может быть использована для измерения параметров атмосферных осадков при решении задач физики атмосферы и агрометеорологии.
Традиционные измерители параметров осадков, применяющиеся для сетевых метеорологических наблюдений, имеют сходную конструкцию, основу которой составляют приемная воронка с калиброванным входным отверстием и водосборник для хранения собранных осадков до момента измерения.
Традиционные измерители осадков имеют свои недостатки. Так как объем водосборника ограничен, прибор требует регулярного обслуживания, заключающегося в сливе собранных осадков. Автоматизация измерений таких приборов приводит к необходимости применения движущихся узлов, что уменьшает их надежность. Традиционные измерители не способны измерять параметры отдельных частиц осадков. Очень большое влияние на погрешность измерений параметров осадков приборами традиционной конструкции оказывает ветровой недоучет осадков, проявляющийся в том, что при ветре количество собранной прибором влаги оказывается заниженным.
Оптические приборы для измерения параметров осадков свободны от ряда недостатков традиционных измерителей. Они не имеют движущихся узлов, лишены необходимости постоянного обслуживания и способны измерять параметры отдельных падающих частиц.
Известны измерители дождя, содержащие измерительный блок, который включает в себя источник света, фотоприемники и блок регистрирующей аппаратуры, выполненные во влагозащищенном корпусе (а.с. SU №1793405 А1, МПК G01W 1/14, 1993; патент RU №99175 U1, МПК G01N 15/02, 2006). Определение параметров капель дождя в измерителях производится посредством фиксации тени от капель дождя, пролетающих в рабочей зоне приемного отверстия.
Известно устройство для измерения спектра облачных и дождевых капель (а.с. SU 153587, кл. G01k; 42i, 1963), которое содержит открытую шахту, внутри которой проходит воздушный поток с каплями дождя и две одинаковых фотоэлектрических системы, состоящих из источника света и приемника, причем обе оптические системы направляют параллельные пучки лучей так, что, они пересекаются под прямым углом и образуют в центральной части рабочей области шахты скрещенное световое пятно. По изменению интенсивности светового пятна судят о размерах дождевых капель.
К недостаткам данного устройства можно отнести то, что регистрация изменения светового обладает высокой погрешностью измерений размеров частиц осадков. Это не позволяет восстанавливать форму частиц, фиксировать и корректно оценивать одновременное прохождение через световое пятно двух и более капель, что приводит к ошибочным измерениям. Существенным недостатком является отсутствие возможности определения параметров осадков в твердой фазе (снег).
В качестве прототипа выбран прибор Two Dimensional Video Disdrometer (2DVD) (Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description // J. Atmos. Oceanic Technol. 2002. V.19. P.602-617).
Прибор состоит из измерительного блока и из блока обработки и вычисления. Измерительный блок состоит из корпуса с приемным отверстием, содержащего систему отвода осадков и две одинаковые оптические системы, каждая из которых образована источником плоского луча света, системой зеркал и многоэлементным линейным фотоприемником в составе линейно-сканирующей видеокамеры.
Каждый источник света направлен вертикально вверх на зеркало, которое отражает луч света, посылая его горизонтально на другое зеркало, в свою очередь отражающее луч света вертикально вниз на многоэлементный линейный фотоприемник линейно-сканирующей видеокамеры, ориентированной так же как источник вертикально вверх.
Данный прибор имеет свои недостатки. Объемный корпус (0,5×0,5×1,1 м) не позволяет уйти от одной из основных ошибок, возникающих при измерении параметров осадков - ветрового недоучета. При измерениях, сопровождающихся ветром, корпус измерительного блока 2DVD вызывает искажения ветрового поля, приводящие к изменению траектории и скорости частиц осадков не только вне корпуса прибора, но к возникновению турбулентных завихрений внутри корпуса. Последний фактор критично сказывается на результатах измерения параметров мелких капель и снежных частиц, полученные с помощью 2DVD (Nespor V., Krajewski W.F., Kruger A. Wind-Induced Error of Raindrop Size Distribution Measurement Using a Two-Dimensional Video Disdrometer. // J. Atmos. Oceanic Technol. 2000. V.17. P.1483-1492). Кроме того, капли дождя, разбивающиеся о края корпуса и попадающие в приемное отверстие, становятся постоянным источником ошибок. Технические характеристики прибора не позволяют эксплуатировать его при температуре окружающего воздуха ниже 0°C. Таким образом, прибор не имеет возможности измерения параметров осадков, выпадающих в виде снега.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание прибора, обеспечивающего более высокую точность измерения параметров осадков и возможность измерения параметров осадков в твердой фазе (снег).
Поставленная задача достигается тем, что, как и в прототипе, оптико-электронный двухканальный измеритель осадков содержит две одинаковые оптические системы, каждая из которых состоит из источника плоского луча света с оптическим каналом для транспортировки излучения, на пути которого установлен многоэлементный линейный фотоприемник для регистрации прошедшего излучения, блока обработки и вычисления. Оптические каналы удалены друг от друга по вертикали. Их проекции на горизонтальную плоскость, пресекаясь, образуют прямой угол, при этом, формируется двухуровневая измерительная область.
В предлагаемой полезной модели источники света и приемники размещены горизонтально друг напротив друга, помещены в отдельные защитные корпуса и жестко закреплены между собой так, что двухуровневая измерительная область оказалась удаленной от источников и приемников на расстояние, превышающее ее линейные размеры.
Измерительная область, удаленная от элементов конструкции, позволяет избежать ошибок ветрового недоучета и ошибок, вызванных измерением параметров капель, разбивающихся о корпус прибора. Уход от этих ошибок приводит к повышению точности измерений прибора, а отсутствие объемного корпуса, дает возможность измерения параметров осадков, выпадающих в виде снега.
На фиг.1 изображена схема взаимного расположения оптических осей оптико-электронного двухканального измерителя осадков.
Устройство содержит две одинаковые оптические системы, которые состоят из источника излучения 1, 2 и приемника 1, 2. (Блок обработки и вычисления не показан). Два горизонтальных плоских луча света от источников излучения попадают на два приемника, выполненных на основе многоэлементного линейного фотоприемника, образуя оптические каналы. Эти оптические каналы удалены друг от друга по вертикали. Их проекции на горизонтальную плоскость пересекаются и образуют прямой угол, при этом, формируется двухуровневая измерительная область 3. Размеры измерительной области определяются шириной оптических каналов.
Устройство работает следующим образом. Если в измерительной области 3 нет частиц осадков, лучи от источников 1 и 2 беспрепятственно проходят до многоэлементных линейных фотоприемников приемников 1 и 2. Когда появляется частица и пересекает уровни измерительной области, происходит изменение освещенности некоторого количества элементов линейного фотоприемника. Каждая учитываемая частица осадков пересекает два уровня измерительной области. В ходе пересечения она производит затенения некоторого количества элементов сначала одного, потом другого многоэлементного линейного фотоприемника. Сигналы о затенении элементов передаются в блок обработки и вычисления. При этом в блоке обработки и вычисления размеры частиц определяются по количеству затененных элементов известного размера, а скорость частиц определяется исходя из времени, которое требуется им для того, чтобы пройти расстояние между верхним уровнем измерительной области и нижнем уровнем.
При практической реализации предложенного устройства в качестве приемников может быть использованы высокоскоростные линейные фотоприемники с частотой сканирования 20 кГц с разрешением 768 пикселей в сочетании с блоком формирования аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем. Такие линейные фотоприемники выпускаются серийно, доступны, недороги, обладают хорошими электрооптическими характеристиками и могут быть легко интегрированы в предложенную схему. В качестве источника может быть использован лазерный генератор линии мощностью 8 мВт.