ПРИБОР МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
AUTOMATIC WEATHER INSTRUMENT

Изобретение относится к области метеорологии. Метеорологические приборы предназначены для эксплуатации в диапазоне от верхнего до нижнего значения климатических факторов, при этом дополнительно могут быть установлены узкие диапазоны климатического исполнения. Приборы должны обеспечивать эксплуатацию во всех микроклиматических районах на суше и на море. Приоритетными характеристиками приборов являются надежность при эксплуатации в умеренном и холодном климате, использование в носимых вариантах исполнения.
Существующие автоматические метеорологические приборы обеспечивают измерение и контроль нескольких метеорологических параметров, созданные на основе электронных компонентов, имеющие функции сбора, контроля, обработки, накопления и передачи данных с применением информационных технологий.
Аналогом заявляемого устройства является «Преобразователь измерений метеорологических параметров окружающей среды» (патент RU 53024 U1 от 08.11.2005). Преобразователь содержит комбинированный датчик температуры и относительной влажности (воздуха), анемометр с первичным измерительным преобразователем (для определения скорости воздушного потока), флюгарку (для определения направления ветра), барометр для измерения атмосферного давления, вспомогательные устройства, в том числе программируемый контроллер, реализующий цифровое преобразование и обработку сигналов. Недостатком данного устройства является использование механических частей для определения направления ветра.
Другим аналогом заявляемого прибора является «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений» (патент RU 2319987 С1 от 05.06.2006). Прибор состоит из пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников, соединенного с ними устройства измерения временных интервалов, подключенного к основному вычислительному устройству, дополнительно в состав прибора введены электронный датчик температуры воздуха, устройство сравнения, дополнительное вычислительной устройство, ветрозащитный бокс-контейнер и датчик сигнала его закрытия. Недостатком устройства является отсутствие автоматической привязки измеренного вектора скорости ветра к направлению север-юг в точке наблюдения. Для определения азимута вектора скорости ветра требуется установка нулей скорости ветра с помощью ветрозащитного бокс-контейнера, что увеличивает время перевода метеорологического комплекта из походного в рабочее положение и снижает оперативность развертывания прибора.
Прототипом заявляемого прибора является многопараметрический датчик погоды «Lufft WS600 Multi-Parameter Weather Sensor», выпускаемый фирмой Scientific Sales, Inc., США (http://www.scientificsales.com/Lufft-WS600-Multi-Parameter-Weather-Sensor-p/ws600.htm). Датчик WS600 измеряет температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, количество осадков, скорость и направление ветра. Датчик имеет встроенный электромагнитный компас для определения направления ветра при установке датчика на движущейся платформе. Анемометр прибора состоит из 4-х ультразвуковых датчиков, которые производят циклические измерения скорости ветра в различных направлениях. Скорость ветра вычисляется по измеренной разности скорости распространения звука между датчиками. Встроенный электромагнитный компас используется для проверки установки корпуса датчика по направлению на север при измерении направления скорости ветра. Компас также используется для вычисления направления скорости ветра. Прибор не обеспечивает измерения температуры почвы, не определяет вертикальную компоненту скорости ветра, степень вертикальной устойчивости воздуха (СВУВ).
Техническим результатом, достигаемым прибором метеорологическим автоматизированным (ПМА), описываемым в настоящей заявке на изобретение, является увеличение количества измеряемых и определяемых параметров, в том числе измерение температуры почвы, определение вертикальной компоненты вектора скорости ветра, СВУВ.
Указанный технический результат достигается за счет введения в прибор датчика температуры почвы, установки ультразвуковых датчиков, каждый из которых может служить как передатчиком, так и приемником ультразвукового сигнала, в стойках с геометрией, позволяющей определять три ортогональные компоненты вектора скорости ветра по измерению времени распространения сигнала в прямом и обратном направлении между парами датчиков. В прибор введены датчики относительной влажности воздуха, атмосферного давления, с использованием показаний которых в каждом цикле измерений проводится автоматическая калибровка каналов измерений компонент скорости ветра путем вычисления скорости распространения звука и учета ее значения при распространении сигнала в положительном и отрицательном направлениях вдоль фиксированных координатных осей приборной системы координат. В соответствии с сигналами электромагнитного компаса, геометрически жестко связанного с осями приемников-передатчиков ультразвукового излучения, производится пересчет значений компонент вектора скорости ветра к местной системе координат. Определение СВУВ осуществляется на основе показаний ультразвуковых датчиков, датчиков температуры воздуха, почвы, относительной влажности воздуха, атмосферного давления.
Устройство состоит из: блока датчиков (1), включающего датчики температуры воздуха (2), относительной влажности воздуха (4), атмосферного давления (5), трехкоординатный ультразвуковой анемометр, содержащий три пары ортогонально расположенных ультразвуковых излучателей-приемников (6-11), устройство обработки информации (12), выполняющее функции коммутирования, преобразования, усиления сигналов, генерирования импульсов, измерения временных интервалов, двухкоординатный электромагнитный компас (13), преобразователь напряжения (14); датчика почвы (3); пульта оператора (15), включающего устройство сопряжения (16), в том числе с возможностью информационного обмена с электронно-вычислительной машиной (21), вычислительное устройство (17), устройство отображения информации (18), преобразователь напряжения (19), подаваемого от внешнего источника электропитания (20) (фиг.1 и 2).
Пример практической реализации предложенного устройства показан на фиг.2.
В предлагаемом устройстве система координат О, X', Y', Z', связанная со стойками, в которых устанавливаются ультразвуковые датчики и в которой проводятся измерения параметров скорости ветра, расположена в пространстве относительно местной системы координат О, X, Y, Z, в которой определяются магнитный азимут, величины горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, таким образом, что медиана трехгранного угла О, X', Y', Z' направлена вертикально и совпадает с осью OZ системы координат О, X, Y, Z, а ось ОХ' находится в плоскости XOZ (фиг.3).
x
y
x
y
Схема согласования осей OX, OY системы координат О, X, Y, Z, в которой производятся измерения компонент напряженности магнитного поля H, H с помощью компаса 13, проекции оси ОХ' пары ультразвуковых датчиков 6, 7, проекций вектора скорости ветра V, V показана на фиг.4.
Время распространения сигнала по оси ОХ в положительном и отрицательном направлении
x
где L - расстояние между датчиками по оси ОХ;
с - скорость звука в воздухе;
- проекция вектора скорости воздуха на ось ОХ.
Исходя их этого, сумма времен распространения сигнала в положительном и отрицательном направлениях равна
а разность
в предположении, что .
Отсюда расстояние между датчиками по оси ОХ равно
Известно, что скорость звука в воздухе является функцией температуры, влажности воздуха, атмосферного давления. Зная температуру, влажность воздуха, атмосферное давление, можно расчетным путем определить скорость звука.
где е - давление (упругость) водяного пара в воздухе определяется по формуле
,
где ;
Т, °С - температура воздуха;
u
H - относительная влажность воздуха;
Р - атмосферное давление;
k
T - абсолютная температура воздуха, K.
x
Вычисляемое значение скорости звука используется для определения расстояния между датчиками L в каждом цикле измерения для расчета значения проекции скорости ветра  на ось ОХ:
Аналогичным образом могут быть получены данные о проекциях скорости ветра ,  на оси OY, OZ.
Переход от системы координат О, X', Y', Z' к системе О, X, Y, Z осуществляется по формулам:
По разности температур воздуха и почвы и горизонтальной компоненты скорости ветра определяется термодинамический критерий N, характеризующий СВУВ:
где Т - температура воздуха;
п
Т - температура почвы;
V - горизонтальная компонента скорости ветра, .
При N≥0,1 СВУВ соответствует конвекции,
при N≤-0,1 СВУВ соответствует инверсии,
при -0,1≥N≤0,1 соответствует изотермии.
Измеренные и вычисленные метеорологические параметры: температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, величина и азимут горизонтальной компоненты скорости ветра, СВУВ отображаются на пульте оператора и могут быть по интерфейсу (например, RS 485) переданы в электронно-вычислительную машину.
Прибор метеорологический автоматизированный, описанный в настоящей заявке на изобретение, за счет введения датчиков температуры воздуха и почвы, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, анемометра, электромагнитного компаса обеспечивает измерение и определение широкого перечня метеорологических параметров, в том числе температуры почвы, магнитного азимута скорости ветра, величин горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, СВУВ, а схема расположения ультразвуковых датчиков и принятый метод получения трех ортогональных компонент скорости ветра с использованием показаний датчиков температуры, относительной влажности воздуха, атмосферного давления позволяют отказаться от процедуры выставления нулевых значений этих компонент перед началом измерений в ветрозащитном бокс-контейнере, что повышает такие эксплуатационные характеристики комплекта, как точность определения метеорологических параметров, оперативность перевода из походного в рабочее положение.