УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ

Полезная модель относится к области метрологии, а именно к устройствам для контроля и поверки измерителя высоты нижней границы облачности.
Измерители высоты нижней границы облаков являются одними из важнейших устройств для прогнозирования погодных условий и опасных погодных явлений. От оперативности и надежности таких прогнозов зависит работа предприятий разных отраслей промышленности и сельского хозяйства, а также работа любого аэропорта. Туман, осадки и ухудшенная видимость, как следствия низкой облачности, занимают первое место среди погодных явлений, оказывающих наибольшее влияние на регулярность и безопасность взлета, посадки и полета воздушных судов.
Для точной и надежной работы измерителей высоты нижней границы облаков необходимо своевременное проведение их калибровки.
В настоящее время широко распространены устройства для калибровки измерителей высоты нижней границы облаков, использующие оптоволоконные кабели.
Например, известно устройство для калибровки метеорологического лидарного оборудования типа облакомер (RU 2636797 C1, 28.11.2017), принятое за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, которое содержит приемопередающий блок, включающий в себя приемный и передающий коллиматоры, коммутационный дуплексный оптоволоконный кабель калиброванной длины и оптический блок, включающий в себя оптоволоконную линию временной задержки калиброванной длины, намотанную на катушку, а также последовательно соединенные первый оптоволоконный сумматор, объединяющий два волокна в одно, первый оптоволоконный разветвитель, разделяющий волокно на два волокна, выходное плечо которого с наибольшим коэффициентом деления соединено с оптоволоконной линией временной задержки калиброванной длины, выход которой соединен с входным плечом первого оптоволоконного сумматора с наибольшим коэффициентом объединения. Длины всех оптических волокон кроме оптоволоконной линии временной задержки калиброванной длины откалиброваны таким образом, что время выхода первого по счету оптического импульса соответствует времени прямого и обратного прохождения оптического импульса в атмосфере до отражающего объекта, находящегося на границе мертвой зоны поверяемого устройства, а длина оптоволоконной линии временной задержки откалибрована таким образом, что времена выхода всех последующих оптических импульсов соответствуют временам прямого и обратного прохождения оптического импульса в атмосфере от поверяемого устройства до отражающих объектов, находящихся на высоте N⋅H, где N равно количеству циклических проходов оптического импульса по упомянутой линии. Для подстройки динамического диапазона путем внесения дополнительных затуханий на выходе разветвителя предусмотрен регулируемый аттенюатор.
Оптический импульс от поверяемого облакомера вводится в коллиматор приемопередающего блока. Далее по дуплексному оптоволоконному коммутационному кабелю калиброванной длины поступает в плечо оптоволоконного сумматора с определенными коэффициентами объединения, после чего поступает на оптоволоконный разветвитель с определенными коэффициентами деления, где разделяется в заданной пропорции. Одна часть излучения (меньшая) через регулируемый аттенюатор и дуплексный оптоволоконный кабель выводится из коллиматора и подается на приемный канал поверяемого облакомера. Другая часть излучения (большая) проходит через калиброванную замкнутую оптоволоконную линию задержки, которая замыкается через второе плечо сумматора, приобретая временную задержку, пропорциональную длине этой линии. Прошедшее через замкнутую линию излучение попадает во второе плечо сумматора и далее вновь делится в заданной пропорции разветвителем, при этом часть излучения вновь выводится из схемы, а другая часть поступает в замкнутую калиброванную оптоволоконную линию. Так осуществляется цикличность работы схемы до полного затухания светового импульса.
В данном случае для имитации дальности пути светового сигнала используется катушка с намотанным на нее оптоволоконным кабелем, что делает такое устройство калибровки громоздким и неудобным в использовании. Также при эксплуатации оптоволокна на нем могут образоваться микротрещины, которые приведут к неконтролируемому затуханию сигнала и снижению точности в проведении калибровки. Работа устройства нарушается и при попадании внутрь оптоволокна водяных паров. Кроме того, данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как позволяет подавать световой импульс одной мощности, который имитирует только дальность до облака и не позволяет оценить другие параметры.
Задачей настоящей полезной модели является создание компактного и надежного устройства для калибровки измерителя высоты нижней границы облачности, позволяющего проводить качественную поверку в течение всего срока работы.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности поверяемого измерителя высоты нижней границы облачности за счет использования электронных компонентов устройства для калибровки.
Технический результат достигается тем, что устройство для калибровки измерителя высоты нижней границы облачности содержит корпус, в котором расположены приемные устройства, соединенные с электронным таймером, который соединен с излучателем и контроллером, при этом приемные устройства имеют приемные окна, расположенные напротив выходных окон измерителя высоты нижней границы облачности, причем приемные устройства, электронный таймер, излучатель и контроллер смонтированы на печатной плате, размещенной внутри корпуса.
Излучатель имеет светофильтр ослабления оптического сигнала.
Приемные устройства представляют собой три чувствительных элемента.
Излучатель может быть установлен по центру, а приемные устройства установлены по окружности вокруг излучателя с шагом по углу 120 градусов.
Устройство для калибровки измерителя высоты нижней границы облачности содержит корпус, в котором расположены приемные устройства, соединенные с электронным таймером, который соединен с излучателем и контроллером, при этом приемные устройства имеют приемные окна, расположенные напротив выходных окон измерителя высоты нижней границы облачности, электронный таймер включается при попадании оптического импульса от измерителя высоты нижней границы облачности в приемные окна приемных устройств и отсчитывает заданное время задержки, излучатель включается по истечении заданного времени задержки и имитирует импульс обратно отраженного сигнала от объекта, расположенного на известном расстоянии, контроллер задает время задержки, отсчитываемое электронным таймером, и выполняет сравнение значения известного расстояния до объекта и значения расстояния, который выдает измеритель высоты нижней границы облачности после попадания на него импульса от излучателя.
Наличие электронного таймера, отсчитывающего заданное время задержки, излучателя, имитирующего обратно отраженный сигнал от объекта на известном расстоянии, контроллера, задающего время задержки, позволяет сформировать оптический тракт светового сигнала без использования громоздкой кольцевой намотки оптоволокна. Также использование контроллера, сравнивающего значения заранее известного расстояния и значения расстояния, полученного от поверяемого измерителя, позволяет качественно и быстро оценить точность измерений такого прибора, с целью его дальнейшей калибровки. При этом заявляемое устройство для калибровки является компактным и может быть использовано в составе любых измерителей высоты нижней границы облачности.
На фиг. 1 показан вид сбоку заявляемого устройства для калибровки измерителя высоты нижней границы облачности.
На фиг. 2 показан вид снизу заявляемого устройства для калибровки измерителя высоты нижней границы облачности.
Устройство для калибровки содержит корпус 1, в котором расположены приемные устройства 2, соединенные с электронным таймером 3, который соединен с излучателем 4 и контроллером (не показан). Указанные элементы заявляемого устройства монтируются на печатной плате, размещенной внутри корпуса.
Приемные устройства 2 устройства для калибровки имеют приемные окна 5, которые размещаются напротив выходных окон 6 измерителя высоты нижней границы облачности 7. Излучатель 4 может иметь светофильтр ослабления оптического сигнала 8 (фиг. 1).
Приемные устройства 2 заявляемого устройства для калибровки представляют собой три чувствительных элемента, что впоследствии позволяет оценить диаграмму излучения заявляемого устройства для калибровки. Излучатель 4 устанавливается по центру, а приемные устройства 2 - по окружности вокруг излучателя с шагом по углу 120 градусов (фиг. 2).
Устройство для калибровки при использовании устанавливается на поверяемый прибор так, чтобы его нижняя поверхность с размещенными на ней приемными окнами 5 была направлена на выходные окна 6 измерителя высоты нижней границы облачности 7.
τ
τ
Оптический импульс измерителя высоты нижней границы облачности 7 через его выходные окна 6 и далее через приемные окна 5 попадает на приемные устройства 2 заявляемого устройства для калибровки. Попадание оптического импульса на приемные устройства 2 включает электронный таймер 3, который отсчитывает время задержки , заданное программным путем контроллером. По истечении заданного времени  включается излучатель 4, импульс которого имитирует обратно отраженный сигнал от объекта, расположенного на известном расстоянии:
D=c×τ/2,   (1)
где с - скорость света.
Мощность излучения оптического сигнала также регулируется программным путем посредством контроллера. Здесь для ослабления светового потока может быть использован светофильтр 8 излучателя 4.
Излученный устройством для калибровки импульс принимается измерителем высоты нижней границы облачности 7, который выдает оценку D’ дальности.
Контроллер выполняет сравнение расстояний D и D’, что далее позволяет оценить точность измерения дальности и выполнить калибровку измерителя высоты нижней границы облачности 6.
Реализация заявляемого устройства для калибровки с использованием электронного таймера 3, излучателя 4 и контроллера позволяет сформировать калибровочный сигнал, который имеет ряд преимуществ.
1. Имеется возможность задать временные последовательности импульсов для проверки разрешающей способности измерителя высоты нижней границы облачности. При этом программный метод формирования временных последовательностей следования импульсов позволяет определять пороговые значения разрешения.
2. Схема заявляемого устройства для калибровки, реализованная на электронных компонентах, позволяет формировать импульс имитации обратного сигнала сложной формы с распределением энергии импульса в течение временного интервала, что позволяет имитировать не только дальность до облака, но также и характер распределения внутри облака.
3. Схема заявляемого устройства для калибровки, реализованная на электронных компонентах, имеет независимый канал формирования импульса имитации обратного сигнала. В такой системе есть возможность точной и грубой регулировки энергии в импульсе. Точная настройка обеспечивается регулировкой тока излучателя устройства для калибровки. Грубая настройка обеспечивается за счет введения светофильтра ослабления светового потока излучателя, входящего в состав устройства для калибровки. Использование указанных светофильтров позволяет избавиться от проблем с нелинейностью энергетических характеристик источника излучения. Регулировка энергии в импульсе позволяет производить точную калибровку измерителя высоты облачности по энергии сигнала.