ЭЛЕКТРОННЫЙ ИНДИКАТОР АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Полезная модель относится к метеорологическому приборостроению, в частности к индикаторам начала и окончания выпадения осадков, и может быть использована для фиксации осадков, как в жидкой, так и в твердой фазе.
Известен [SU 607168, 1976], в котором описан чувствительный к осадкам элемент, выполненный в виде секционированной обмотки из двух изолированных проводников, образующих распределенную емкость. Появление первого импульса характеризует начало осадков, а отсутствие импульсов в измерительном тракте - прекращение осадков.
К недостаткам такого устройства можно отнести сложность изготовления секционной обмотки.
Известна система [US 3882381, 1975] для обнаружения состояния влажности или обледенения поверхности, содержащая один емкостной преобразователь, расположенный с одной стороны плоской изоляционной платы и направленный по отношению к осадкам и второй емкостной преобразователь, расположенный с обратной стороны, а также средства для подачи сигналов на преобразователи и средства для индикации состояния поверхности.
Индикатор предназначен для встраивания в поверхность дороги и дает показания только о состоянии поверхности дороги, влажная она или идет обледенение и не позволяет получать данные о текущем выпадении осадков, например, о начале падения отдельных снежинок, из-за отсутствия надежного контакта с чувствительной поверхностью. Наличие второй емкости - опорной усложняет конструкцию системы измерения.
Наиболее близким является электронный чувствительный элемент (датчик) для измерения количества осадков путем оценивания воздействия одиночных капель на поверхность [ЕР 0360892, 1990], в котором чувствительный элемент выполнен в виде плоской измерительной поверхности, на которой расположены два изолированных друг от друга проводника (разнесенные электроды), лежащие в одной плоскости и образующие емкость.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести отсутствие подогрева измерительной поверхности, в связи, с чем он не чувствителен к осадкам в виде снега и не способен быстро среагировать на их прекращение.
Задача полезной модели - разработка индикатора атмосферных осадков, находящихся как в жидкой, так и в твердой фазе.
Технический результат - повышение чувствительности первичного преобразователя при работе при низких температурах.
Дополнительный технический результат - способность быстро реагировать на прекращение осадков.
Поставленная задача решается тем, что как и известный предлагаемый электронный индикатор атмосферных осадков содержит плоскую измерительную поверхность, устанавливаемую в направлении осадков и представляющую собой емкость, образованную двумя изолированными друг от друга тонкопленочными проводниками, расположенными в одной плоскости на одной из сторон диэлектрической пластины.
Новым является то, что на обратной стороне размещены система термостабилизации плоской измерительной поверхности, контроллер и активное сопротивление, включенное последовательно с емкостью для образования RC цепи.
Кроме того, система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы.
Целесообразно, чтобы нагревательные элементы были равномерно размещены по всей поверхности диэлектрической пластины.
Кроме того, на базе контроллера реализованы формирователь импульсов, аналоговый компаратор, источник опорного напряжения, таймер, система управления и выходной порт.
Кроме того, проводники изолированы от окружающей среды диэлектрическим покрытием.
Предлагаемый электронный индикатор осадков может применяться в метеорологии в качестве сигнализирующего устройства о наличии каких либо атмосферных осадков (дождь, снег, град и т.д.).
В предлагаемом изобретении в качестве первичного датчика используется так называемая паразитная емкость между двумя проводниками, причем проводники электрически изолированы друг от друга и от окружающей среды (фиг.1). Капли воды вносят изменения в диэлектрические свойства изолятора между обкладками «конденсатора», при этом емкость изменяется. Система управления следит, когда емкость достигнет определенного уровня и в этом случае формирует сигнал «осадки».
Величина электрической емкости, образованной двумя изолированными проводниками во многом зависит от площади их перекрытия и характера диэлектрика между ними. Чем больше площадь перекрытия двух проводников и меньше расстояние между ними, тем более высокой емкостью обладает данная система. В значительной степени на емкость системы влияет диэлектрическая проницаемость ε материала
диэлектрика, а ε воды выше ε воздуха примерно в 80 раз. Это свойство используется в данном индикаторе атмосферных осадков. Первичный преобразователь представляет собой пластину с нанесенным на нее плоским рисунком в виде двух электрически изолированных электродов (проводников), имеющих максимально возможную общую границу. Сверху пластина покрыта тонким слоем лака или другим изоляционным покрытием. В сухом виде электрическая емкость пластины минимальна. При попадании капли на поверхность часть линий электрического поля замыкаются через воду, и, следовательно, суммарная электрическая емкость возрастает.
Емкость включается в цепь с активным сопротивлением R. Полученная RC цепь имеет постоянную времени τ=R·C, которая зависит от величины емкости (сопротивление остается неизменным). Таким образом, при попадании на измерительную поверхность капля увеличивает емкость, а, следовательно, и постоянную времени цепи, в которую эта емкость включена.
Система управления, реализованная на базе контроллера, постоянно поддерживает положительную температуру (2-3°С) измерительной поверхности, на случай осадков в виде снега. С этой целью на обратной стороне пластины расположены нагревательные элементы и датчик температуры, соединенные с контроллером. Когда осадки присутствуют, включается дополнительный подогрев (до 15-20°С). Это дает возможность испарить остатки влаги с поверхности и ускорить срабатывание индикатора, в случае, когда осадки прекратятся.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 приведена сторона диэлектрической пластины, на которой сформирована емкость, обратная ее сторона и блок-схема контроллера.
инд
Индикатор содержит (фиг.1) диэлектрическую пластину 1, на одну из сторон которой нанесены тонкопленочные проводники 2, лежащие в одной плоскости и образующие емкость С. На обратной стороне пластины смонитрованы резистор R 3, датчик температуры 4, нагревательные элементы 5 и контроллер 6, включающий в себя формирователь импульсов 7, аналоговый компаратор 8, источник опорного напряжения 9, таймер 10, систему управления 11 и выходной порт 12. Проводники 2, образующие емкость, и активное сопротивление - резистор 3 образуют RC цепь, которая через формирователь импульсов 7 и компаратор 8 через таймер 10 подключена к системе управления 11, как показано на фиг 1. Система управления через выходной порт 12 подключается к внешним исполнительным устройствам (не показаны). Источник питания внешний (не показан), подключается через герметичный ввод в связке вместе с выходным сигнальным проводом.
В качестве нагревательных элементов 5 могут быть использованы управляемые с помощью ключа стабилизаторы напряжения с подключенной к ним нагрузкой и равномерно распределенные на плате таким образом, чтобы выделяемое на стабилизаторе и нагрузке тепло уходило преимущественно в диэлектрическую пластину.
На двусторонней печатной плате (диэлектрическая пластина, выполненная из фольгированного стеклотекстолита) 1 были выполнены проводники 2 в виде рисунка из тонкого медного покрытия с максимально возможной площадью перекрытия и минимальным расстоянием между ними.
В качестве диэлектрического покрытия был использован водостойкий лак, устойчивый к перепадам температур и к прямым солнечным лучам (например, Urethan 71 (Kontakt Chemie)).
Датчик температуры может быть использован любой, чтобы можно было подключить непосредственно к контроллеру без дополнительных навесных элементов, например, TCN75, DS18b20.
Устройство работает следующим образом.
инд
0
инд
ФИ
инд
инд
Емкость С образованная двумя изолированными друг от друга проводниками (электродами) 2 имеет начальное значение С когда диэлектрическая пластина 1 сухая. Влага на поверхности пластины изменяет диэлектрические свойства среды, и, следовательно, суммарная емкость увеличивается. Изначально система управления 11 через формирователь импульсов 7 удерживает напряжение на С в низком состоянии, а сама емкость разряжена. Затем система управления 11 задает начало единичного измерения, включая таймер и запуская формирователь импульсов. Установленный высокий уровень напряжения U, заряжает С через резистор R 3. Напряжение на С растет по экспоненциальному закону, а скорость роста зависит от постоянной времени τ RC-цепи.
инд
Синд
Напряжение с емкости С напрямую подается на компаратор 8, который сработает, когда U станет выше, чем опорное напряжение с источника опорного напряжения 9. Срабатывание компаратора 8 останавливает таймер 10 и извещает систему управления 11 о готовности результата. Чем больше емкость сенсора (попадание влаги), тем дольше она заряжается до порогового напряжения и тем большее время отсчитывает таймер. Система управления 11 сравнивает показания таймера каждого единичного измерения и при превышении порога определенное число раз подряд выдает сигнал осадки, и наоборот, через выходной порт (ВП) 12 к внешнему исполнительному устройству.
Система термостабилизации чувствительной поверхности, включающая датчик температуры 4 и нагревательные элементы 5 также находятся под управлением контроллера 6, который поддерживает положительную температуру измерительной поверхности (диэлектрической пластины) 1 не ниже 2-3°С, а в случае обнаружения осадков включает дополнительный подогрев (до 10-15°С), чтоб быстрее осушить измерительную поверхность в случае, когда осадки прекратятся и тем самым ускорить процесс срабатывания.