УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ТЕЛЕМЕТРИИ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах измерения температуры и влажности воздуха, в том числе в метеорологических радиозондах для измерения вертикальных профилей метеовеличин в атмосфере.
Устройство для измерения метеорологических величин и формирования сигнала телеметрии аэрологического радиозонда может быть применено как в существующих радиолокационных системах радиозондирования атмосферы с формированием сигнала телеметрии на выходе, так и во вновь разрабатываемых радиолокационных и радионавигационных системах с формированием выходного сигнала в виде цифровой последовательности, в которой закодированы измеренные значения температуры и влажности.
Известен измерительный преобразователь аэрологического радиозонда (РФ, ПМ №53462 МПК G01W 1/08, от 14.11.2005 г., опубликовано 10.05.2006 г.) содержащий датчики влажности и температуры, масштабирующий усилитель, суммирующий усилитель, интегратор, компаратор, инвертор, три аналоговых ключа и схему управления.
Указанный преобразователь был выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком данного преобразователя является высокая зависимость измеренной влажности от температуры окружающей среды.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения метеорологических величин, за счет снижения зависимости результатов измерений влажности от температуры окружающей среды.
Для решения поставленной задачи, в устройстве для измерения метеорологических величин и формирования сигнала телеметрии аэрологического радиозонда, содержащем датчик влажности, датчик температуры, два ключа, опорный резистор, времязадающий резистор, времязадающий конденсатор, согласно полезной модели, содержит таймер, энергонезависимую память, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), узел управления и узел обработки и формирования сигнала телеметрии, причем, ключи, энергонезависимая память, АЦП, узел управления и узел обработки и формирования сигнала телеметрии выполнены на базе одного программируемого микроконтроллера, при этом выход датчика влажности соединен с входом АЦП, датчик температуры последовательно соединен с опорным резистором, а выходы узла управления соединены с управляющими входами ключей, вход обоих ключей связан с источником питания, выход одного из ключей подключен к одному из выходов датчика температуры, выход другого ключа подключен ко второму выходу датчика температуры и одному из выходов опорного резистора, при этом другой выход опорного резистора и один из выходов времязадающего резистора соединены с одним входом таймера, а другой выход времязадающего резистора и один из выходов времязадающего конденсатора соединены со вторым входом таймера, кроме того, другой выход времязадающего конденсатора соединен с общей цепью, выходы таймера, энергонезависимой памяти, и АЦП соединены с входами узла обработки и формирования сигнала телеметрии.
Частотный сигнал датчика температуры и опорного резистора оцифровывается посредством узла обработки и формирования сигнала телеметрии.
Напряжение датчика влажности оцифровывается посредством АЦП.
Предусмотрена возможность программной реализации температурной компенсации измеренного значения влажности посредством узла обработки и формирования сигнала телеметрии.
Предусмотрена возможность хранения градуировочных характеристик в энергонезависимой памяти.
Наличие таймера позволяет преобразовать сопротивление датчика температуры и опорного резистора в частотный сигнал.
Наличие энергонезависимой памяти позволяет хранить градуировочные характеристики устройства.
Наличие АЦП позволяет произвести оцифровывание сигнала датчика влажности.
Наличие узла управления позволяет задать порядок следования опорного канала и температурного канала, сформировать сигналы управления ключами и сформировать длительность канальных интервалов.
Наличие узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет:
- измерить периоды сигналов опорного канала и температурного канала;
- обеспечить возможность реализации в программе микроконтроллера температурной компенсации при измерении относительной влажности и как следствие повысить точность измерения влажности;
- программно привязать влажность к опорному сигналу при формировании сигнала телеметрии (для существующих систем радиозондирования) и как следствие уменьшить погрешности измерения влажности вызванной воздействием различных дестабилизирующих факторов;
- сформировать выходной сигнал (в зависимости от заложенной программы - цифровой сигнал или сигнал телеметрии) в котором закодированы метеопараметры;
- при необходимости обеспечить возможность помехозащищенного кодирования выходного сигнала.
Выполнение ключей, энергонезависимой памяти, АЦП, узла управления и узла обработки и формирования сигнала телеметрии на базе одного программируемого микроконтроллера позволяет:
- снизить стоимость устройства;
- улучшить массогабаритные характеристики, что актуально для радиозондового применения;
- обеспечить высокую стабильность длительности импульсов сигнала телеметрии, которая определяется стабильностью кварцевого резонатора используемого для тактирования микроконтроллера (для существующих систем радиозондирования).
Связь выхода датчика влажности с входом АЦП позволяет обеспечить передачу выходного напряжения датчика влажности ко входу АЦП.
Последовательное соединение датчика температуры с опорным резистором позволяет задать нижнюю границу периода сигнала на выходе таймера.
Связь выходов узла управления с управляющими входами ключей позволяет обеспечить управление ключами.
Связь входов обоих ключей с источником питания, выхода одного из ключей с одним из выходов датчика температуры и выхода другого ключа со вторым выходом датчика температуры и с одним из выходов опорного резистора позволяет обеспечить, в зависимости от состояния ключей, включение либо опорного резистора либо последовательно включенного датчика температуры и опорного резистора во времязадающую цепь таймера, и как следствие обеспечить формирование частотного сигнала на выходе таймера соответственно для опорного и температурного канала.
Связь другого выхода опорного резистора и одного из выходов времязадающего резистора, с одним входом таймера, а другого выхода времязадающего резистора и одного из выходов времязадающего конденсатора со вторым входом таймера, а также связь другого выхода времязадающего конденсатора с общей цепью позволяют задать необходимый диапазон изменения периода частотного сигнала на выходе таймера.
Связь выхода таймера с входом узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет обеспечить передачу частотного сигнала с выхода таймера в узел обработки и формирования сигнала телеметрии для оцифровывания и последующей обработки.
Связь выхода энергонезависимой памяти с входом узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет обеспечить считывание узлом обработки и формирования сигнала телеметрии градуировочных коэффициентов из энергонезависимой памяти.
Связь выхода АЦП с входом узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет обеспечить передачу оцифрованного сигнала датчика влажности в узел обработки и формирования сигнала телеметрии для последующей его обработки.
Оцифровывание частотного сигнала датчика температуры и опорного резистора посредством узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет измерить значения периодов опорного и температурного каналов для дальнейшей их обработки.
Оцифровывание напряжения датчика влажности посредством АЦП позволяет измерить значение напряжения на выходе датчика влажности для его дальнейшей обработки.
Программная реализация температурной компенсации измеренного значения влажности посредством узла обработки и формирования сигнала телеметрии позволяет повысить точность измерения влажности путем корректировки значения влажности вычисленного в соответствии с функцией преобразования примененного датчика влажности по оцифрованным напряжению датчика влажности и частотному сигналу датчика температуры и опорного резистора, а также градуировочных коэффициентов хранящихся в энергонезависимой памяти.
Хранение градуировочных характеристик в энергонезависимой памяти позволяет узлу обработки и формирования сигнала телеметрии вычислять температуру по оцифрованному значению частотного сигнала датчика температуры и опорного резистора, а также реализовать температурную компенсацию измеренного значения влажности.
В результате патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявленной совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной», может найти применение в измерительной технике, т.е. является «промышленно применимым».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показана общая схема устройства.
T
ОП
Устройство содержит датчик влажности 1, таймер 2, программируемый микроконтроллер 3, ключи 4, 5, энергонезависимую память 6, АЦП 7, узел управления 8, узел обработки и формирования сигнала телеметрии 9, датчик температуры R, опорный резистор R, времязадающий резистор R1, времязадающий конденсатор С1.
Схема устройства имеет следующие соединения.
Выход датчика влажности 1 соединен с входом АЦП 7. Выход АЦП 7 соединен с одним из входов узла обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
Т
ОП
Датчик температуры R, соединен одним выводом с ключом 4, вторым выводом с ключом 5 и одним из выводов опорного резистора R.
ОП
Второй вывод опорного резистора R и один из выводов времязадающего резистора R1 соединены с одним входом таймера 2 (вход цепи разряда). Другой вывод времязадающего резистора R1 и один из выводов времязадающего конденсатора С1 соединены со вторым входом таймера 2 (вход управления запуском и срабатыванием). Другой вывод времязадающего конденсатора С1 соединен с общей цепью. Выход таймера 2 соединен со вторым входом узла обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
На входы ключей 4 и 5 подается напряжение питания, а управляющие входы ключей 4 и 5 соединены с узлом управления 8.
Выход энергонезависимой памяти 6 соединен с третьим входом узла обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
В качестве датчика влажности используются, например датчики серии HIH-4000, HIH-5030, HIH-5031 фирмы Honeywell или другие датчики на выходе которых напряжение является функцией влажности. В качестве датчика температуры используется например терморезистор ММТ-1 или другие высокоомные терморезисторы. В качестве опорного резистора используется резистор с малым значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС), например С2-29В. В качестве времязадающего конденсатора используется конденсатор с малым значением температурного коэффициента емкости (ТКЕ), например К73-24. В качестве таймера используются, например микросхемы LMC555, ICM7555, КР1006ВИ1 и т.п. В качестве микроконтроллера используются микроконтроллеры со встроенным модулем АЦП, например из серии ATMega фирмы ATMEL, STM8S фирмы STMicroelectronics и т.п.
ОП
ОП
Устройство работает следующим образом. Узел управления 8 формирует сигналы управления ключами в соответствии с алгоритмом работы, реализованным в программе микроконтроллера. При закрытом ключе 4 и открытом ключе 5 (включен опорный канал) на верхний вывод опорного резистора R (фиг.1) подается напряжение питания, при этом опорный резистор является частью времязадающей цепи таймера 2 на выходе которого формируются импульсы. Период импульсов при этом определяется номиналами опорного резистора R, времязадающего резистора R1 и времязадающего конденсатора С1. Таким образом, на выходе таймера сформирован сигнал опорного канала.
Т
Т
ОП
Т
ОП
При открытом ключе 4 и закрытом ключе 5 (включен температурный канал) напряжение подается на верхний вывод датчика температуры R (фиг.1), при этом последовательное соединение датчика температуры R и опорного резистора R является частью времязадающей цепи таймера 2. Период импульсов на выходе таймера 2 при этом определяется сопротивлением датчика температуры R, а также номиналами опорного резистора R, времязадающего резистора R1 и времязадающего конденсатора С1.
Периоды сигналов опорного и температурного канала измеряются узлом обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
Т
ОП
Сопротивление датчика температуры R и опорного резистора Rсначала преобразуется таймером 2 в частотный сигнал, а затем оцифровывается узлом обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
При формировании сигнала в канале влажности производится оцифровывание выходного напряжения датчика влажности 1 при помощи АЦП 7.
Окончательная обработка сигналов опорного, температурного каналов и канала влажности осуществляется в узле обработки и формирования сигнала телеметрии 9.
На выходе узла обработки и формирования сигнала телеметрии 9 в зависимости от решаемой задачи формируется сигнал телеметрии или цифровая последовательность, в которой закодированы измеренные значения метеопараметров. Вид выходного сигнала зависит от заложенной программы микроконтроллера.
Формирование сигнала телеметрии происходит следующим образом: узел обработки и формирования выходного сигнала 9 задает длительность канальных интервалов, в каждом из канальных интервалов передается информация о температуре, влажности или сигнале опорного канала. Информационным параметром сигнала телеметрии является период следования импульсов. Период в опорном канале и канале температуры определяется периодом, сигналов на выходе таймера 2. Период в канале влажности рассчитывается в соответствии с программой микроконтроллера и зависит от цифрового кода АЦП 7 и периода сигнала опорного канала, при необходимости учитывается температурная зависимость примененного датчика влажности и делается соответствующая поправка, зависящая от значения периода сигнала измеренного в температурном канале и градуировочных коэффициентов хранящихся в энергонезависимой памяти 6. Длительность импульсов в каналах телеметрии запрограммирована в программе микроконтроллера и имеет различное значение для опорного канала и каналов метеоинформации.
Формирование цифрового сигнала происходит следующим образом: узел обработки и формирования выходного сигнала 9 вычисляет температуру исходя из измеренных значений периодов в опорном и температурном каналах и градуировочных коэффициентов хранящихся в энергонезависимой памяти 6. Значение влажности - из цифрового кода, на выходе АЦП 7 в соответствии с функцией преобразования примененного датчика влажности, при необходимости делается температурная поправка на влажность, зависящая от рассчитанной ранее температуры. На выходе блока формируются цифровые коды содержащие информацию об измеренной температуре и влажности, либо содержащие промежуточные данные из которых могут быть восстановлены температура и влажность, например Y-параметр (отношение периода сигнала в опорном канале к периоду сигнала в канале температуры) и цифровой код полученный на выходе АЦП 7. При необходимости может быть введено помехозащищенное кодирование.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения метеорологических величин за счет снижения зависимости результатов измерений влажности от температуры окружающей среды.