УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПЕРЕНОСА СНЕГА

Предлагаемое техническое решение относится к метеорологическому приборостроению, в частности к измерителям расхода твердой фазы, и предназначено для использования в качестве индикатора метелей и пыльных бурь в составе автоматических дистанционных метеорологических станций.
cp
з
Устройство определяющее средний твердый расход q, по контролируемой площади на данной, фиксированной высоте х над снежным покровом называют метелемером.
a
a
Для нахождения общего расхода Q необходима одновременная постановка нескольких метелемеров на разных уровнях. Величина Q тогда определяется по формуле
,
где n - количество точек измерений.
Известно много конструкций метелемеров. Прибор, сконструированный В.В. Кузнецовым (Кузмин, П.П. Формирование снежного покрова и методы определения снегозапасов. - Гидрометеорологическая издательство, Л, - 1959. - С. 33), представляет собой сосуд с входным отверстием, которое устанавливается против ветра благодаря флюгарке. Снег, попадая во входное отверстие, оседает на дно цилиндра, а воздух, лишенный снега, выходит по трубке. Количество снега определяют взвешиванием.
Н.Е. Долгов, использовав идею В.В. Кузнецова, сконструировал очень сложный метелемер, хуже обтекаемый ветром. Так же он предложил «паровой метелемер», в котором отложенный снег расплавлялся и вес его определялся по объему талой воды. В качестве недостатка метелемеров Н.Е. Долгова можно отметить круглую форму сопла, что создает большие трудности при измерении поверхностного снегопереноса (Дюнин, А.К. Механика метелей (Вопросы теории проектирования снегорегулирующих средств). - Новосибирск: Издательство Сибирского отделения Академии наук СССР, 1963. - С. 121-125).
Известны метелемеры типа ВО с коротким и удлиненным соплом (Дюнин, А.К. Механика метелей (Вопросы теории проектирования снегорегулирующих средств). - Новосибирск: Издательство Сибирского отделения Академии наук СССР, 1963. - С. 121-125). Основным недостатком метелемеров типа ВО является влияние их корпуса на ветровой поток и выдувание части снега через выходное отверстие.
6
Л.С. Говоруха и Е.Ф. Кирличев создали метелемер «Циклон» (А.с. №145369 СССР, 1962, МПК G01W 1/14) по принципу имеющихся центробежных циклонов, применяющихся в технике пылезолоулавливания.
В конструкции метелемера «Циклон» заборный наконечник и эжектор имеют регулируемую заслонку, уравновешивающую скорость движения воздуха в заборном наконечнике со скоростью ветра. Это позволяет увеличить точность при отборе проб снеговетрового потока и компенсирует его внутреннее гидравлическое сопротивление.
Процесс осаждения снега из проходящего через метелемер воздушного потока осуществляется следующим образом. Отобранный наконечником воздушный поток, содержащий частицы снега, через входной патрубок поступает в наружный цилиндр. За счет тангенциального расположения входного наконечника воздушный поток вращается вокруг центральной выходной трубы и в то же время, опускается поступательно вниз. При этом под действием центробежной силы частицы снега, как обладающие большей плотностью, перемещаются радиально к стенке циклона и вместе с воздухом движутся по винтовой линии вниз к бункеру, где происходит окончательное их улавливание.
Для обеспечения уравнивания скорости движения воздуха в наконечнике со скоростью ветра используется принцип равенства статических давлений внутри и снаружи заборного наконечника. Форма его носика обеспечивает малые входные соприкосновения при отборе пробы. Концентрация снега в воздушном потоке практически не оказывает влиянии на эффективность работы метелемера. Недостатком метелемеров циклонного типа является невозможность уверенного определения твердого расхода снега в наиболее насыщенном примесью приземном слое.
Недостатками рассмотренных конструкций метелемеров являются неточность учета количества переносимого снега, необходимость очищать метелемер от залетевшего снега и производить соответствующие расчеты, а также громоздкость самих конструкций приборов.
6
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению является устройство для определения количества снега переносимого ветром вдоль земной поверхности при метелях (А.с. №125068 СССР, 1959, МПК G01N 21/59). Принцип работы этого «метелемера-регистратора» (название авторов) основан на использовании свойств параллельных лучей света и на изменении значения фототока в зависимости от затененной активной поверхности фотоэлемента.
Метелемер-регистратор с применением записывающих аппаратов обеспечивает непрерывное наблюдение и запись процесса переноса снега в продолжение любого отрезка времени метели. В сочетании с анемометром, метелемер обеспечивает одновременную регистрацию количества перенесенного снега и скорость ветра на данном уровне от поверхности снежного покрова.
Недостаток метелемера - влияние жалюзей затенения, исключающих попадание дневного света на активную поверхность фотоэлемента, на структуру воздушного потока, а так же невозможность полного предотвращения влияния дневного света на точность измерения.
Задачей заявляемого технического решения является конструктивное решение устройства измерения горизонтального переноса снега, обеспечивающее повышение точности измерения пульсирующих потоков.
Поставленная задача решается тем, что измерительная пара излучатель-приемник размещается на кронштейне малого поперечного сечения, который может фиксироваться на корпусе в двух положениях, когда измерительная пара располагается впереди флюгарки выше или ниже корпуса. В корпусе дополнительно размещаются генератор частоты и регулятор тока для формирования модулированного измерительного потока излучения, а так же фильтр и логарифмический усилитель для выделения и формирования сигнала пропорционального мгновенному значению массовой концентрации снега в контролируемом объеме, что позволяет исключить влияние дневного света на точность измерения и отказаться от жалюзей затенения, оказывающих существенное влияние на структуру снеговоздушного потока.
0
Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1. Автономный источник питания 1, генератор частоты 2 и регулятор тока 3 образуют стабилизированный источник постоянного тока, модулируемого переменным сигналом повышенной частоты (10÷100 кГц), для питания полупроводникового излучателя 4. Полупроводниковый излучатель 4 формирует модулированный измерительный поток излучения Ф, который, проходя через снежный поток 5, ослабляется в соответствии выражением Бугера-Ламберта
,
где е=2,7182 - математическая константа;
λ
D - оптическая плотность снега при частоте излучения .
х
х,
Фх
м
y
Ослабленный сигнал Ф поступает на фоточувствительную поверхность полупроводникового приемника 6. Электрический сигнал, пропорциональный Ф проходит через фильтр 7 для удаления помех от внешних источников излучения (солнце, осветительные приборы) и преобразуется логарифмическим усилителем 8 в электрический сигнал U, пропорциональный мгновенному значению массовой концентрации снега в контролируемом объеме g. Порт ввода-вывода сигналов 9 обеспечивает его вывод на регистрирующее устройство, а также ввод сигналов управления U.
Наиболее важным элементом устройства измерения горизонтального переноса снега является источник потока излучения. От его параметров во  многом зависят характеристики всего прибора (чувствительность, точность измерения, долговечность, размеры, стоимость). Для измерения расхода снега целесообразно использовать светодиоды или полупроводниковые лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 1,250÷1,61 мкм. Вместе с лавинным фотодиодом светодиод (полупроводниковый лазер) образует измерительную пару излучатель-приемник.
Конструкция устройства измерения горизонтального переноса снега приведена на фиг. 2. Телескопическая штанга 14 для изменения высоты расположения над поверхностью земли имеет поворотный узел 11, на которым закреплен корпус 12. В корпусе 12 размещены электронные блоки устройства: автономный источник питания 1; генератор частоты 2; регулятор тока 3; фильтр 7; логарифмический усилитель 8; порт ввода-вывода сигналов 9. Полупроводниковые излучатель 4 и приемник 6 размещены на кронштейне малого поперечного сечения 10, которая прикреплена к корпусу 12, так что образующаяся измерительная пара излучатель-приемник располагается выше флюгарки 13. Это обеспечивает незначительные искажения природы и структуры снеговетрового потока. Флюгарка 13 осуществляет ориентирование корпуса 12 на поворотном узле 11 так, что измерительная пара излучатель-приемник располагается поперек снеговоздушного потока. Для измерения расхода снега в приземном слое кронштейн малого поперечного сечения 10 может фиксироваться таким образом, что измерительная пара излучатель-приемник располагается впереди флюгарки 13 ниже корпуса 12 устройства (см. фиг. 3).
Увеличение контролируемого объема снеговоздушного потока за счет размещения на кронштейне малого поперечного сечения несколько измерительных пар, позволяет повысить точность измерений.
При определении переноса снега на разных высотах замеры могут производиться одним устройством последовательно на разных уровнях или несколькими устройствами одновременно.