УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ИНТЕНСИВНЫХ ОСАДКОВ КАПЕЛЬ ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для дистанционного измерения количества осадков и размеров капель воды в осадках из облаков и струйных выбросов в системах экологического мониторинга атмосферы на удаленных расстояниях.
Уровень техники
Известны устройства для определения интенсивности осадков, реализующие сбор их в специальные емкости и определение объема или массы выпавших осадков в единицу времени (Стернзат М.С. Метеорологические приборы и наблюдения, Л.Д. 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 быстро и дистанционно получать данные интенсивных осадков из облаков и водяных выбросов, а также одновременно измерять интенсивность осадков и размеры капель в осадках.
Известно устройство для определения интенсивности осадков, представляющее оптико-акустико-электронный прибор, 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 капель и их размеры в анализируемом воздухе.
Известны радиолокационные устройства для дистанционного анализа осадков капель из облаков в атмосфере, включающее радиолокационную станцию (РЛС) зондирования атмосферы на расстоянии до 80-100 км, подключенную к блоку автоматической обработки данных, и осадкомер для ее калибровки (А.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 типа облачности и типа осадков, которые затем используются для анализа осадков на контролируемой РЛС территории. Их недостатком является наличие «мертвой» зоны РЛС в радиусе до 15-30 км из-за помех от местных предметов и рельефа местности, сложности регистрации осадков менее 1 мм, а также невозможность одновременного анализа количества осадков капель и их размеры.
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. Это объясняется тем, что 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.
Известен индикатор атмосферных осадков в виде электродинамического логометра, содержащий первый измерительный конденсатор, открытый для свободного прохождения осадков через пространство между обкладками, которые выполнены 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 атмосферных облаков и струйных выбросов с одновременным анализом в осадках распределения крупных капель по диаметру более 1 мм.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа интенсивных осадков капель воды из облаков и двухфазных выбросов в атмосферном воздухе, описанное в статье А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Анализаторы интенсивных осадков капель топливных жидкостей и воды, журнал РФ, Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 153-154 (прототип). Устройство содержит плоский электрический конденсатор из верхней сетчатой и нижней сплошной параллельных пластин из металла, расположенный на дне диэлектрического накопителя осадков в виде полого прямоугольного параллелепипеда, электронный блок конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении осадков капель и передачи данных повитой паре к компьютеру, удаленному на расстояние до 1200 м. Живое сечение прямоугольных ячеек сетчатой пластины составляет более 90% и определяется отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах согласно ГОСТ 2715-75. Изменение емкости конденсатора С от времени t пропорционально количеству V и/или скорости заполнения межэлектродного объема dV/dt каплями воды. Калибровка конденсатора позволяет определять количество и интенсивность осадков капель с временем быстродействия около 0,1 с.
Недостатком данного устройства является невозможность одновременного анализа осадков и размеров капель воды в осадках из облаков или выбросов в атмосфере.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для анализа интенсивных осадков капель в атмосфере и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для анализа интенсивных осадков капель и расширение его функциональных возможностей путем анализа количества и интенсивности осадков водяных крупных капель из облаков и выбросов с одновременным определением их размеров в осадках.
Для достижения технического результата предложено устройство для анализа интенсивных осадков капель воды в атмосфере, включающее накопитель осадков капель в виде диэлектрической ванны, на дне которой горизонтально расположен плоский электрический конденсатор, состоящий из нижней листовой пластины и верхней плоской сетки с живым сечением прямоугольных ячеек более 90% и подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении осадков капель с передачей данных в компьютер, при этом, на верхнем торце накопителя осадков в виде диэлектрической ванны параллельно электрическому конденсатору расположен набор струнных решеток с переменным шагом из параллельных, тонких и токопроводящих нитей, 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 для измерения размеров капель и передачи данных в компьютер.
Кроме того, шаг струнной решетки, определяемый как кратчайшее расстояние между центрами соседних тонких и токопроводящих нитей, варьируется от 1 до 10 мм, а их диаметр составляет 100-200 мкм.
Установка на верхнем торце накопителя осадков в виде диэлектрической ванны параллельно электрическому конденсатору набора струнных решеток из тонких и токопроводящих нитей, закрепленных параллельно и с переменным шагом на диэлектрической раме, и поочередно подключенных к делителям напряжения и к земле, и подключение каждой нити, соединенной с делителем напряжения, к индивидуальному каналу аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) электронного блока набора струнных решеток для передачи данных в компьютер, позволяет осуществлять одновременное измерение распределения диаметров крупных капель в осадках с анализом их интенсивности и количества путем измерения емкости плоского конденсатора.
Делитель напряжения, к которому подключены концы тонких электропроводящих нитей, состоит из сопротивления r1, соединенного с источником питания +(3-3,3)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. Изготовление струнной решетки с шагом h<1 мм технологически крайне 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 расположен перпендикулярно направлению движения капель воды. В исходном состоянии на всех входах АЦП устанавливается напряжение близкое к напряжению питания +3,3 В. При прохождении потока капель сквозь струнную решетку каждый канал АЦП замыкается на землю через некоторое сопротивление, обусловленное проводимость 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.
i
i
В частности при оптимальных значениях шага h=1; 2,5; 5 и 10 мм отсутствие сигнала замыкания нитей на АЦП означает, что диаметры капель в их осадке менее 1 мм. Замыкание нитей в каждой струнной решетки означает, что в осадке содержатся капли с d≥1 мм; с d≥2,5 мм; с d≥5 мм, а также капли диаметром более 10 мм. Частота замыканий нитей в струнных решетках позволяет вычислять распределение капель в осадках во времени в интервалах 1-2,5 мм; 2,5-5 мм и 5-10 мм и более 10 мм. В результате осуществляется во времени одновременное измерение различных фракций размеров капель в осадках с помощью набора струнных решеток с различным шагом h, а также их интенсивность и количество плоским электрическим конденсатором.
На тонких нитях струнной решетки может накапливаться заряд за счет трибоэлектричества и баллоэлектрического эффекта, возникающего при образовании водных осадков и аэродинамическом диспергировании в атмосфере крупных капель воды на более мелкие, а также в результате осаждения заряженных капель на поверхность тонких электропроводящих нитей за счет инерции и зацепления. Однако, эти шумовые скачки напряжения и тока оказались существенно меньше амплитуды импульсов тока и напряжения при замыкании водяной перемычкой капель соседних тонких нитей. Отметим, что баллоэлектрический эффект возможен только для дипольных жидкостей, к которым относится и вода. Причиной эффекта является наличие на поверхности воды слоя ориентированных дипольных молекул, которые создают двойной электрический слой. Электрическое поле диполей простирается на некоторую глубину внутрь воды и собирает вблизи ее границы свободные заряды. Возникающий заряд стекает на землю чрез сопротивление R2.
В заявленном устройстве использовался микропроцессор с 20-канальным АЦП (например, STM32L152RBT6A фирмы ST Microelectronics). Его быстродействие составляло 1 мс с передачей данных по интерфейсу RS-485 в компьютер.
Как и в прототипе в процессе измерения малых значений емкости конденсатора в диапазоне 10-500 пФ использовался метод генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, Москва, Высшая школа, 1989, 456 С.; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, Москва, Энергия, 1966, 160 С.). Измеряемая емкость являлась частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора применен таймер EN 555. Схема была малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Для контроля параллельно с измеряемым конденсатором было установлено сопротивление 5,6 Мегом. Нулевая частота составляла 100-300 кГц. Микропроцессор измерял частоту, обрабатывал данные и передавал их по витой паре в компьютер. Его программа окончательно обрабатывала данные и записывала их в файл. Период опроса устройства составлял около 0,1 с. Ориентировочное разрешение по генерации составляло около 100 импульсов на 1 пФ. Соответственно, схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.
Это позволяет улучшить технические характеристики заявленной полезной модели и расширить ее функциональные возможности по сравнению с устройством по прототипу путем одновременного измерения количества интенсивных осадков и распределение фракций водяных капель по размерам в их детектируемых осадках из облаков или водяных выбросов в атмосфере.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа интенсивных осадков капель воды в атмосфере, где:
1 - верхний сетчатый плоский электрод конденсатора;
2 - нижний сплошной плоский электрод конденсатора;
3 - осадок капель на дне электрода 2;
4 - накопитель осадка капель в виде прямоугольной или круглой ванны;
5 - электронный блок конденсатора;
6 - компьютер;
7 - торец накопителя осадка капель воды, на котором закреплена струнная решетка;
8 - электрический конденсатор, включающий электроды 1 и 2;
9 - многоканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - электронный блок набора струнных решеток;
11 - набор струнных решеток I-IY из тонких и электропроводящих нитей;
12 - диэлектрическая прямоугольная рама для крепления тонких и электропроводящих нитей;
13 - 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 1.1r; 1.1 и 1.2r на раме 12 с шагом h;
2
II - решетка из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r на раме 12 с шагом h,
3
III - решетка из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r на раме 12 с шагом h;
4
IY - решетка из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r на раме 12 с шагом h;
1.1r и 1.2r - тонкие, электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 13 и к АЦП 9; расположены на раме 12 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
1.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 12;
2.1r и 2.2r - параллельные, тонкие, и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 13 и к АЦП 9; расположены на раме 12 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
2.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 12;
3.1r и 3.2r - параллельные, тонкие и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 13 и к АЦП 9; расположены на раме 12 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
3.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 12;
4.1r и 4.2r - параллельные, тонкие и электропроводящие нити, подключенные к сопротивлениям r1 делителя напряжения 13 и к АЦП 9; расположены на раме 12 и заземлены через одинаковые сопротивления R2;
4.1 - заземленная, тонкая и электропроводящая нить на раме 12;
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;
d(к) - расстояние между электродами 1 и 2;
L - длина тонких электропроводящих нитей;
R2 - набор заземленных и одинаковых сопротивлений делителя напряжения 13, 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 12 с;
2
h - шаг решетки II из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r на раме 12;
3
h - шаг решетки III из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r на раме 12;
4
h - шаг решетки IY из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r на раме 12;
V - количество осадков капель в накопителе 4.
U=+(3-3,3)В - напряжение питания делителя 13 решетки 11 от источника питания электронного блока струнной решетки 10.
3
На фиг. 2 приведены осциллограммы с длительностью отклика т струнных решеток I-III при замыкании их нитей каплями воды с удельным сопротивлением около 5.10 Ом/см при температуре 20-25°С и U=+3В.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа интенсивных осадков капель воды в атмосфере. Устройство содержит плоский электрический конденсатор 8 из двух сетчатого 1 и сплошного 2 плоских электродов, установленный горизонтально на дне накопителя осадков капель в виде прямоугольной или круглой ванны 4 из диэлектрика. Нижний электрод 2 конденсатора 8 выполнен из листовой нержавеющей стали, а верхний - из прямоугольной нержавеющей сетки с прямоугольными ячейками. Электроды 1 и 2 подключены к электронному блоку 5 измерения емкости конденсатора 8, преобразования и передачи цифрового сигнала в компьютер 6 по витой паре. На торце 7 накопителя 4 закреплена прямоугольная диэлектрическая рамка 12, на которой закреплен набор струнных решеток 11, подключенных через АЦП 9 электронного блока 10 набора струнных решеток 11 для их питания напряжением U, регистрации диаметров капель и передачи данных к компьютеру 6 по витой паре.
Для измерения количества и интенсивности осадков конденсатор 8 калибруется для установления зависимости С от V при фиксированном расстоянии d(к)=(10-25) мм между электродами 1 и 2 для воды.
Сетчатый электрод 1 выполнен из нержавеющей, высоколегированной проволочной тканой сетки с живым сечение S(c) ее квадратных ячеек более 90%. Величина S(c) определяется отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах согласно ГОСТ 2715-75.
Для измерения малых значений электрической емкости конденсатора 8 в диапазоне С=10-500 пФ используется метода генератора {Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989, 456 С.; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, Москва, Энергия, 1966, 160 С.). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора выбран таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Надежно измеряемое изменение величин емкости составляет 0,03-0,05 пФ. Нулевая частота составляет 100-300 кГц. Микропроцессор измеряет частоту, обрабатывает данные и передает их по витой паре в компьютер. Период опроса составляет около 0,1 секунды, а разрешение по генерации около 100 импульсов на 1 пФ. Соответственно, схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.
1
2
3
4
На прямоугольной диэлектрической раме 12 установлен набор 11 из параллельных и последовательных четырех струнных решеток I, II; III и IY, содержащих параллельные тонких и электропроводящие нити из вольфрама диаметром от 100 до 200 мкм. Решетка I включает тонкие нити 1.1r; 1.1 и 1.2r с шагом h. Решетка II содержит тонкие нити 2.1r; 2.1 и 2.2r с шагом h. Решетка III включает тонкие нити 3.1r; 3.1 и 3.2r с шагом h. Решетка IY состоит из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r с шагом h.
Делитель напряжения 13, к которому подключены концы тонких электропроводящих нитей состоит из сопротивления r1, соединенного с источником питания +(3-3,3)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, как правило, перпендикулярно направлению движения капель воды. В исходном состоянии на всех входах 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 проводимость 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 с d≥1 мм.
i
i
В частности при оптимальных значениях шага h=1; 2,5; 5 и 10 мм отсутствие сигнала замыкания нитей на АЦП означает, что диаметры капель в их осадке менее 1 мм. Замыкание нитей в каждой струнной решетки означает, что в осадке содержатся капли с d≥1 мм; с d≥2,5 мм; с d≥5 мм, а также капли диаметром более 10 мм. Частота замыканий нитей в струнных решетках позволяет вычислять распределение капель в осадках во времени в интервалах 1-2,5 мм; 2,5-5 мм и 5-10 мм и более 10 мм. В результате осуществляется во времени одновременное измерение различных фракций размеров капель в осадках 3 с помощью набора струнных решеток 11 с различным шагом h, а также их интенсивность и количество плоским электрическим конденсатором.
На тонких нитях струнной решетки может накапливаться заряд за счет трибоэлектричества и баллоэлектрического эффекта, возникающего при образовании водных осадков и аэродинамическом диспергировании в атмосфере крупных капель воды на более мелкие, а также в результате осаждения заряженных капель на поверхность тонких электропроводящих нитей за счет инерции и зацепления. Однако, эти шумовые скачки напряжения и тока оказались существенно меньше амплитуды импульсов тока и напряжения при замыкании водяной перемычкой капель соседних тонких нитей. Отметим, что баллоэлектрический эффект возможен только для дипольных жидкостей, к которым относится и вода. Причиной эффекта является наличие на поверхности воды слоя ориентированных дипольных молекул, которые создают двойной электрический слой. Электрическое поле диполей простирается на некоторую глубину внутрь воды и собирает вблизи ее границы свободные заряды. Возникающий заряд стекает на землю чрез сопротивление R2.
В заявленном устройстве использовался микропроцессор с 20-канальным АЦП 9 (например, STM32L152RBT6A фирмы ST Microelectronics). Его быстродействие составляло 1 мс с передачей данных по интерфейсу RS-485 в компьютер 6.
i
В результате осуществляется во времени одновременное измерение различных фракций размеров капель в осадках 3 с помощью набора струнных решеток 11 с различным шагом h, а также их интенсивность и количество плоским электрическим конденсатором.
При анализе осадков устройство устанавливается на земле или на мачте на высоте от 0,5 до 3 м.
В результате достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Пример.
3
4
3
3
Анализировались в атмосфере при температуре около (25-30)°С осадки капель с плотностью ρ=1 г/см и диаметром d≈100-10000 мкм в процессе импульсного распыления артезианской воды объемом более 10 м в виде горизонтальной затопленной струи в атмосфере. Ее удельное сопротивление составляло около 5.10 Ом/см при температуре 20-25°С из скважины.
На прямоугольной диэлектрической раме 12 были установлены параллельно и последовательно следующие четыре струнные решетки I; II; III и IY из тонких и электропроводящих нитей из вольфрама длиной 20 см и диаметром 200 мкм:
1
I - решетка из тонких нитей 1.1r; 1.1 и 1.2r с шагом h=1 мм;
2
II - решетка из тонких нитей 2.1r; 2.1 и 2.2r с шагом h=2,5 мм;
3
III - решетка из тонких нитей 3.1r; 3.1 и 3.2r с шагом h=5 мм;
4
IY - решетка из тонких нитей 4.1r; 4.1 и 4.2r с шагом h=10 мм;
В заявленном устройстве использовался микропроцессор с 20-канальным АЦП 9 (например, STM32L152RBT6A фирмы ST Microelectronics). Его быстродействие составляло 1 мс с передачей данных по интерфейсу RS-485 в компьютер 6.
6
5
В делителе напряжения 13 сопротивление R2=10 Ом, а величина r1=1.2×10 Ом. Напряжение питания U=+(3-3,3)В. Рамка 12 изготовлена из капролона.
2
-12
0,5
0,5
0
0
Плоский электрический конденсатор 8 с сетчатым верхним 1 и сплошным нижним 2 прямоугольными электродами из нержавеющей стали, был установлен на дне прямоугольного диэлектрического сборника 4 жидких капель 3 объемом ≈ 60 литров и габаритами ≈ 40×62×26 см (высота, длина и ширина, соответственно). Сетчатый электрод 1 был выполнен из нержавеющей сетки с размером прямоугольных ячеек 12×12 мм и толщиной проволоки 1 мм. Их живое сечение составляло около 91% и определялось отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах согласно ГОСТ 2715-75. Длина каждого электрода составляла 60, а ширина - 25 см с площадью поверхности S=1500 см. Расстояние между ними d(к)=13 мм. Электроды были расположены горизонтально параллельно плоскости дна сборника 4. Измеренное начальное значение емкости конденсатора 8 без осадка составляло около 105,45 пФ, а расчетное по формуле плоского конденсатора С=εεS/d(к)≈102 пФ, где ε≈1 - диэлектрическая проницаемость конденсатора без осадка и ε=8,85×10Ф/м. Формула плоского конденсатора справедлива при условии, что d(к)/S<<1. Для выбранной геометрии d(к)/S≈0,05.
В процессе измерения малых значений емкости конденсатора 8 в диапазоне 10-500 пФ использовался метод генератора {Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, Москва, Высшая школа, 1989, 456 С.; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, Москва, Энергия, 1966, 160 С.). Измеряемая емкость являлась частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора применен таймер EN 555. Схема была малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Для контроля параллельно с измеряемым конденсатором было установлено сопротивление 5,6 Мегом. Нулевая частота составляла 100-300 кГц. Микропроцессор измерял частоту, обрабатывал данные и передавал их по витой паре в удаленный до 1000 м компьютер. Его программа окончательно обрабатывала данные и записывала их в файл. Период опроса устройства составлял около 0,1 с. Ориентировочное разрешение по генерации составляло около 100 импульсов на 1 пФ. Соответственно, схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.
В результате была измерена интенсивность осадков и диаметры крупных капель воды диаметром более 1 мм в осадках. Сигнал с устройства, расположенного от центра выброса на расстоянии 10 м, был синхронизированы с началом процесса импульсного распыления воды. Показано, что течение 1,2-1,5 с выпало более 80% массы осадков с максимальной интенсивностью около 20 мм/с.
i
3
Одновременно, при оптимальных значениях шага h=1; 2,5; 5 и 10 мм были измерены размеры 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 струнных решетках I-IY позволила вычислить распределение капель в осадке. На фиг. 2, в качестве примера, приведены экспериментальные осциллограммы отклика с длительностью т струнных решеток I-III при замыкании их нитей каплями артезианской воды различного диаметра с удельным сопротивлением около 5.10 Ом/см при 20-25°С и U=+3В. Показано, что максимум счетного и массового распределения капельного аэрозоля по размерам приходится на капли с d≈5-10 мм.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для анализа интенсивных осадков капель воды в атмосфере с прототипом показывает, что за счет использования накопителя осадков 4 с конденсатором 8 и набора струнных решеток 11 с электронным блоком 10 удается одновременно анализировать количество и интенсивность осадков капель воды с одновременным определением их диаметров d≥1 мм. Отсутствие сигналов замыкания нитей набора струнных решеток 11 означает, что диаметры капель в осадке составляют менее 1 мм. Устройство по прототипу не позволяет осуществлять одновременное измерение осадков и размеров капель.