АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЗОНД Российский патент 2001 года по МПК G01W1/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологических радиозондах для измерения вертикального профиля метеовеличин в атмосфере, таких, как температуры, влажности, давления. Изобретение может быть также использовано в устройствах преобразования информации резистивных и емкостных датчиков.

Аэрологический радиозонд производит преобразование нескольких метеовеличин в радиотелеметрические сигналы и передает их по радиоканалу на наземную станцию сопровождения. С начала использования радиозондов стоит проблема измерения метеовеличин в широком диапазоне воздействующих факторов: температуры от минус 80^oC до плюс 50^oC, влажности до 100%, высотности до 30-40 км, солнечной радиации, космического излучения и т.д. Наибольшие трудности возникают при измерении влажности, особенно на больших высотах из-за низкого содержания водяного пара в атмосфере при больших отрицательных температурах. При этом к измерительным устройствам предъявляются высокие требования по точности измерения, массогабаритным характеристикам (МГХ), энергопотреблению и стоимости. Требования эти довольно противоречивы.

В настоящее время в качестве датчиков метеовеличин широко используются чувствительные элементы резистивного и емкостного типов.

Известны радиозонды фирмы VAISALA, в которых используются емкостные чувствительные элементы для преобразования температуры, влажности и атмосферного давления в частотные телеметрические сигналы (см. ж. VAISALA News, N 136, 1995, с. 9-12, Финляндия, Хельсинки).

Недостатком измерительных устройств этих радиозондов являeтся схемная сложность, т. к. требуется высокая чувствительность измерения емкости (например, при изменении температуры на 100 K емкость датчика изменяется всего на 7-8 пФ).

Известны радиозонды с низкоомными датчиками температуры (см. cб. Методы и средства зондирования атмосферы. Труды центральной аэрологической обсерватории, 1990, вып. 168, с. 56-69).

Недостатком этих устройств является также схемная сложность ввиду того, что нужно учитывать сопротивление проводов, которое изменяется в зависимости от окружающей температуры и приводит к возникновению термоЭДС в цепи преобразования. Кроме того, низкоомные датчики температуры требуют подгонки измерительной части (например, резистивного моста) до 0,01 Ом, что в условиях даже единичного производства трудоемко.

Известен серийный радиозонд МРЗ-3А (см. Н.А. Зайцева "Аэрология", Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с. 187-191), в котором происходит преобразование сопротивлений двух резистивных датчиков (температуры и влажности воздуха) в частотные сигналы. В данном радиозонде каждый из резистивных датчиков и нулевая шина через соответствующие аналоговые ключи последовательно соединены с опорным резистором времязадающей RC-цепи импульсного генератора, выход которого соединен с модулирующим входом радиопередатчика.

Недостатком данного устройства являются довольно высокие погрешности, особенно при измерении влажности.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения метеовеличин.

Для решения поставленной задачи предлагается аэрологический радиозонд, содержащий первый и второй импульсные генераторы, делитель частоты, первый, второй и третий аналоговые ключи, схему управления аналоговыми ключами, формирователь импульсов и приемопередатчик, выход первого импульсного генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с входом первого аналогового ключа, вход второго импульсного генератора соединен с выходом первого аналогового ключа, а первый, второй и третий выходы второго импульсного генератора соединены соответственно с сигнальным входом второго аналогового ключа, с сигнальным входом третьего аналогового ключа и входом формирователя импульсов, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых ключей соединены с первым, вторым и третьим соответственно управляющими выходами схемы управления ключами, выходы второго и третьего аналоговых ключей также соединены с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с модулирующим входом приемопередатчика, выход которого является информационным выходом аэрологического радиозонда;
первый импульсный генератор содержит двухвходовой дифференциальный компаратор, хронирующую RC-цепь, конденсатор которой является емкостным датчиком влажности, резистивный делитель, причем выход компаратора через резистор хронирующей цепи соединен с одной из обкладок конденсатора и инверсным входом компаратора, резистивный делитель одним концом подключен к нулевой шине и к другой обкладке конденсатора, а средней точкой - к прямому входу компаратора, вторым концом резистивный делитель подключен к выходу компаратора, который является выходом первого импульсного генератора;
второй импульсный генератор содержит пороговое устройство, хронирующую RC-цепь, состоящую из конденсатора и резистивного делителя, образованного опорным резистором и резистивным датчиком температуры, причем один конец опорного резистора, соединенный с первой обкладкой конденсатора и с входом порогового устройства и является входом второго импульсного генератора, один конец резистивного датчика температуры является первым выходом второго генератора, общая точка резистивного делителя - вторым выходом, инверсный выход порогового устройства - третьим выходом, а прямой выход порогового устройства соединен со второй обкладкой конденсатора.

На чертеже показана электрическая схема аэрологического зонда, на которой изображено:
1 - первый импульсный генератор; 2 - второй импульсный генератор; 3 - делитель частоты; 4, 5, 6 - аналоговые ключи; 7 - схема управления ключами; 8 - формирователь импульсов; 9 - приемопередатчик; 10 - двухвходовой дифференциальный компаратор; 11 - пороговое устройство; C1 - емкостной датчик влажности; R1 - резистор хронирующей цепи; R2, R3 - резистивный делитель; R4 - опорный резистор; R5 - резистивный датчик температуры; C2 - конденсатор хронирующей цепи (времязадающий конденсатор); 0В - нулевая шина.

Питание схемы условно не показано.

Первый импульсный генератор 1 содержит двухвходовый дифференциальный компаратор 10, емкостный датчик C1 влажности, который с резистором R1 составляет хронирующую цепь, резистивный делитель R2 и R3, причем инверсный вход дифференциального компаратора 10 соединен со средней точкой датчика C1 влажности и резистора R1, прямой вход дифференциального компаратора 10 соединен со средней точкой резистивных делителей R2 и R3, общая точка емкостного датчика C1 и резистора R1 являются входом первого импульсного генератора 1, а второй конец резистора R1 хронирующей цепи, выход дифференциального компаратора 10 и резистора R3 резистивного делителя соединены между собой, и эта точка является выходом первого импульсного генератора 1; второй импульсный генератор 2 содержит пороговое устройство 11, опорный резистор R4, резистивный датчик R5 температуры, конденсатор C2 хронирующей цепи, причем один конец опорного резистора R4, вход порогового устройства 11 и первая обкладка конденсатора C2 соединены между собой, и эта точка является входом второго импульсного генератора 2, один конец резистивного датчика R5 температуры является первым выходом второго импульсного генератора 2, общая точка опорного резистора R4 и резистивного датчика R5 температуры является вторым выходом второго импульсного генератора 2, инверсный выход порогового устройства 11 является третьим выходом второго импульсного генератора 2, а прямой выход порогового устройства 11 соединен сo второй обкладкой конденсатора C2 хронирующей цепи; делитель 3 частоты соединен с выходом первого импульсного генератора 1, а выход - с входом первого аналогового ключа 4, выход которого соединен с входом второго импульсного генератора 2, входы второго и третьего аналоговых ключей 5 и 6 соединены с первым и вторым соответственно выходами второго импульсного генератора 2, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых ключей 4, 5 и 6 соединены с первым, вторым и третьим соответственно выходами схемы 7 управления ключами, выход второго и третьего аналоговых ключей 5 и 6 и третий выход второго импульсного генератора 2 соединены с входом формирователя 8 импульсов, выход которого соединен с модулирующим входом приемопередатчика 9, выход которого является информационным выходом радиозонда.

Указанные схемы представляют собой:
двухвходовой дифференциальный компаратор 10, например, может быть выполнен на ИМС 554 СА3;
делитель 3 частоты - на ИМС 561 ИЕ 16;
пороговое устройство 11 - по схеме несимметричного мультивибратора также на ИМС 561 серии;
аналоговые ключи 4, 5, 6 - на ИМС серии 590;
блок управления ключами 7 может быть реализован на основе трехтактового генератора (с соответствующей логической обработкой) на ИМС 561 серии;
формирователь импульсов - также на ИМС 561 серии;
приемопередатчик может быть реализован на основе СВЧ-автогенератора и генератора поднесущей частоты по принципу сверхрегенератора;
емкостный датчик C1 влажности может быть выполнен на сорбционном чувствительном элементе;
температурный датчик R5 может быть выполнен на терморезисторе.

Все указанные ИМС см. "Цифровые интегральные микросхемы" (справочник), Минск: Полымя, 1996 г.

Аэрологический радиозонд работает следующим образом.

В основу работы при измерении температуры положен принцип последовательного преобразования (в заданных начальных интервалах времени) сопротивлений опорного резистора R4 либо суммы сопротивлений опорного резистора R4 и резистивного датчика температуры R5 в длительность периода повторения импульсов опорного и температурного сигналов. В качестве выходного информационного параметра радиозонда используется отношение длительностей периодов импульсов опорного сигнала и сигналов датчика температуры. За счет этого достигается уменьшение мультипликативной погрешности преобразования сопротивления резистивного датчика температуры, вызванной нестабильностью в условиях эксплуатации параметров элементов релаксационного генератора (емкости C2 времязадающего конденсатора и др.).

Преобразование сопротивления резистивного датчика R5 температуры происходит при разомкнутом аналоговом ключе 4 в частотные сигналы (опорный и температурный). Это преобразование осуществляется вторым импульсным генератором 2 на основе порогового устройства 11. При замкнутом аналоговом ключе 6 период повторения импульсов генератора 2 будет определяться сопротивлением опорного резистора R4 (опорный сигнал), а при замкнутом аналоговом ключе 5 - суммой сопротивлений опорного резистора R4 и резистивного датчика R5. В качестве информационного сигнала параметра радиозонда по температуре используется отношение опорного и температурного периодов повторения импульсов, которое практически не зависит от изменения емкости конденсатора C2 и от остаточных сопротивлений замкнутых аналоговых ключей 5 и 6.

Преобразование емкости датчика влажности C1 в частотный сигнал осуществляется первым импульсным генератором 1. Емкость C1 датчика и сопротивление резистора R1 образуют времязадающую RC-цепь, напряжение с общей точки этой цепи поступает на инвертирующий вход компаратора 10, на прямой вход которого поступает опорное напряжение с резисторного делителя R2-R3. При равенстве напряжений сигнального (на инверсном входе) и опорного (на прямом входе) происходит переключение компаратора 10, при этом его выходной сигнал с логической "1" переключится на логический "0", и начинается формирование следующего полупериода импульсного колебания, которое отличается от предыдущего только направлением изменения напряжения хронирующей RC-цепи (R1, C1). На выходе компаратора 10 формируются знакопеременные импульсы напряжения со скважностью, близкой к меандру, период повторения которых пропорционален емкости датчика C2. Импульсы с выхода первого импульсного генератора поступают на вход делителя 3 частоты, который обеспечивает формирование телеметрического сигнала радиозонда в заданном частотном диапазоне. Использование делителя 3 частоты позволяет выбирать параметры импульсного генератора 1 исключительно исходя из условий обеспечения максимальной точности преобразования емкости датчика C1 в условиях эксплуатации радиозондов.

Передача полученного сигнала влажности далее происходит следующим образом. В соответствующем канальном интервале времени (канал влажности) аналоговый ключ 4 замыкается (аналоговые ключи 5 и 6 при этом разомкнуты), при этом генерация импульсов вторым импульсным генератором 2 прекращается, и пороговое устройство 11 производит передачу импульсов с выхода делителя 3 частоты на вход формирователя 8 импульсов. Конденсатор C2, подключенный между входом и выходом порогового устройства 11, вместе с выходным сопротивлением делителя 3 частоты образует интегрирующую цепь, приводящую к некоторой задержке срабатывания порогового устройства 11, которая практически не оказывает влияния на работоспособность радиозонда.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает:
- преобразование сопротивления резистивного датчика температуры в частотные телеметрические сигналы с высокой точностью измерения;
- преобразование электрической емкости датчика влажности в частотный телеметрический сигнал без использования дополнительных калибрационных сигналов.

Также следует отметить, что достоинством технического решения импульсного генератора 1 является высокая стабильность частоты генерируемых колебаний при изменении окружающей температуры и напряжения источника питания. Кроме того, в генераторе 1 отсутствует постоянная составляющая на емкостном датчике влажности C1, а это особенно важно при использовании емкостных сорбционных чувствительных элементов влажности воздуха, в которых наличие на элементе постоянной составляющей напряжения может привести к увеличению погрешности преобразования и даже к выходу из строя датчика.

Использование: в метеорологических радиозондах для измерения вертикального профиля метеовеличин атмосферы - температуры и влажности. Сущность: аэрологический радиозонд содержит первый и второй импульсные генераторы, делитель частоты, первый - третий аналоговые ключи, схему управления аналоговыми ключами, формирователь импульсов и приемопередатчик. При этом первый импульсный генератор содержит двухвходовой дифференциальный компаратор, хронирующую RC-цепь, конденсатор которой является емкостным датчиком влажности, резистивный делитель, а второй импульсный генератор содержит пороговое устройство, хронирующую RC-цепь, состоящую из конденсатора и резистивного делителя, образованного опорным резистором и резистивным датчиком температуры. Технический результат - повышение точности измерения метеовеличин. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Аэрологический радиозонд, содержащий первый и второй импульсные генераторы, делитель частоты, первый - третий аналоговые ключи, схему управления налоговыми ключами, формирователь импульсов и приемопередатчик, выход первого импульсного генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с входом первого аналогового ключа, вход второго импульсного генератора соединен с выходом первого аналогового ключа, а первый, второй и третий выходы второго импульсного генератора соединены соответственно с сигнальными входами второго и третьего аналоговых ключей и входом формирователя импульсов, управляющие входы первого - третьего аналоговых ключей соединены соответственно с первым - третьим управляющими выходами схемы управления аналоговыми ключами, выходы второго и третьего аналоговых ключей также соединены с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с модулирующим входом периемопередатчика, выход которого является информационным выходом аэрологического радиозонда. 2. Аэрологический радиозонд по п.1, в котором первый импульсный генератор содержит двухвходовой дифференциальный компаратор, хронирующую RC-цепь, конденсатор которой является емкостным датчиком влажности, резистивный делитель, причем выход компаратора через резистор хронирующей цепи соединен с одной из обкладок конденсатора и инверсным входом компаратора, резистивный делитель одним концом подключен к нулевой шине и к другой обкладке конденсатора, а средней точкой - к прямому входу компаратора, входным концом резистивный делитель подключен к выходу компаратора, который является выходом первого импульсного генератора. 3. Аэрологический радиозонд по п.1, в котором второй импульсный генератор содержит пороговое устройство, хронирующую RC-цепь, состоящую из конденсатора и резистивного делителя, образованного опорным резистором и резистивным датчиком температуры, причем один конец опорного резистора, соединенный с первой обкладкой конденсатора и с входом порогового устройства, является входом второго импульсного генератора, один конец резистивного датчика температуры является первым выходом второго генератора, общая точка резистивного делителя - вторым выходом, инверсный выход порогового устройства - третьим выходом, а прямой выход порогового устройства соединен с второй обкладкой конденсатора.