СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РАЗМЕРА И СКОРОСТИ КАПЕЛЬ ДОЖДЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N15/02 

Предлагаемое изобретение относится к области сельского хозяйства и может использоваться для измерения размера и скорости капель дождя.

Известно устройство для измерения размера и скорости капель дождя, включающее фотоэлектрический датчик с усилителем, состоящий из источника освещения (лампы), оптической линзы и диафрагмы, с помощью которых формируется тонкий плоскопараллельный луч света, проходящий под заборной камерой, а затем через вторую диафрагму и оптическую линзу фокусируется на экран фотоэлемента. Капли дождя, пролетая через заборную камеру, пересекают плоскопараллельный луч света, изменяя освещенность фотоэлемента. Меняется его проводимость и на выходе усилителя, на входе которого включен фотоэлемент, появляются куполообразные импульсы, амплитуда которых пропорциональна размеру капли, а время пролета капли через луч - пропорционально ее размеру и толщине луча и обратно пропорционально скорости ее падения [1, 2].

Сигналы с усилителя поступают на блок управления и их регистрации (шлейфовый или запоминающий осциллографы). Чтобы измерить параметры сигнала, в луче света в момент измерения и регистрации должна находиться только одна капля. Иначе будет искаженный сигнал, по которому нельзя определить размер и скорость находящихся одновременно в луче капель.

Кроме того, часть капель разбивается о края заборной камеры и в этом случае фиксируются искаженные, ложные импульсы.

Из-за отсутствия блоков автоматического измерения амплитуды сигнала БИА и времени (длительности действия импульса) БИВ, блока выбраковки ложных сигналов БВЛС обработку результатов производит оператор вручную, регистрируется ограниченное количество капель, большая цена деления при регистрации приводит к увеличению погрешности контроля, снижению достоверности получаемой информации, достоверности определяемых показателей качества полива при низкой производительности труда.

Известно устройство для анализа распределения микрочастиц [3], содержащее датчик, усилитель, блок управления, включающий схему совпадения (схему И), электронные ключи, блок измерения амплитуды, содержащий схему выделения максимального значения сигнала (импульса), формирователь стандартного импульса (блок выделения сигнала), время - импульсное вычислительное устройство контроля амплитуды, состоящее из амплитудно-временного преобразователя, выход которого соединен с входом схемы совпадения (схемы И), второй ее вход связан с генератором импульса, многоканальный анализатор, вход которого соединен с выходом схемы совпадения.

Существенным недостатком данного устройства является отсутствие блока выбраковки ложных сигналов, что приведет к большой погрешности при возможном измерении размера капель из-за их разрушения о края заборного устройства, электролита, одновременно возможного нахождения капель в электролите (измеряемой среде), измеряется только одни параметр -размер частиц, отсутствует блок измерения времени (длительности импульса) и нет возможности измерить скорость капель.

Известно устройство для измерения спектра облачных и дождевых капель [4], включающее фотоэлектрический датчик, содержащий источник света, линзу и диафрагму для образования плоскопараллельного луча света, вторую диафрагму и линзу для фокусирования на фотоэлемент, усилитель, блок выбраковки ложных сигналов, содержащий такую же оптическую систему (источник света, линзы и диафрагмы, фотоэлемент и усилитель), плоскопараллельный луч которой направлен перпендикулярно первому лучу с образованием скрещивающего рабочего поля, блок управления, регистратор.

Сформированное двумя перпендикулярными лучами рабочее поле, блок выбраковки и управления позволяют измерять и регистрировать только те капли, которые попадают в это скрещивающее световое поле, и не измеряются разрушенные (раздробленные) капли.

Однако в этом устройстве используются уже две равноценные оптические системы, конструкция устройства резко усложняется, габариты датчика возрастают. При этом погрешность измерения не снижается из-за "краевого" эффекта. Определенное количество капель не полностью, а частично попадают в световое рабочее поле датчика, касаясь края данного поля. Параметры выходных сигналов не будут соответствовать параметрам таких капель. Их размер будет занижен в зависимости от того, какая часть (доля) капли попадает в рабочее поле. Поэтому погрешность измерения возрастает.

Для измерения размера и скорости необходимо, чтобы в рабочем поле во время контроля, регистрации находилась всего одна капля. Однако из-за высокой интенсивности дождя, интенсивности и концентрации капель, создаваемых дождевальной техникой, а также размера рабочей площади заборной камеры фотодатчика в контролируемом поле могут одновременно появляться две и более присутствующих, "налагаемых" капель. Будут измеряться искаженные, недостоверные сигналы, параметры которых не соответствуют размерам и скоростям "налагаемых" капель.

Кроме того, дождь, создаваемый поливной техникой, в десятки раз превышает концентрацию капель при естественном дожде. Размеры заборной камеры устройства для измерения капель создаваемого дождя необходимо существенно уменьшить. В этом случае вновь существует возможность дробления капель о края заборного устройства, которые могут попадать в скрещивающееся рабочее поле устройства. Вновь будет искажаться истинный размер создаваемых капель.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности измерения при одновременном автоматическом контроле размера и скорости капель создаваемого дождя, снижении материалоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в блок измерения амплитуды дополнительно введены последовательно соединенные триггер Шмитта, триггер и вторая схема совпадения, ее выход соединен с входом амплитудно-временного преобразователя, причем второй вход второй схемы совпадения соединен с входом схемы выделения максимального значения, выход которой связан с входом триггера Шмитта, дополнительно введен блок автоматического одновременного измерения времени (длительности импульса), который включает последовательно соединенные триггер Шмитта, первый инвертор, вторую схему совпадения, второй инвертор, первую схему совпадения, причем вход триггера Шмитта соединен с выходом усилителя фотоэлектрического датчика, а генератор импульсов связан со вторым входом первой схемы совпадения, выход которой соединен со вторым входом анализатора - с входами блоков счетчика времени, которые через вторые выходные ключи связаны с компьютером, в блок выделения сигнала введены последовательно соединенные со схемой совпадения инвертор, первый триггер, один выход данного триггера связан со вторым входом триггера блока измерения амплитуды, второй выход первого триггера - с вторым входом схемы совпадения блока измерения времени, второй вход первого триггера и первый вход второго триггера готовности блока выделения сигнала соединены с выходом второго инвертора блока измерения времени, один вход схемы совпадения блока выделения сигнала соединен с выходом триггера Шмитта блока измерения времени, а ее второй вход с выходом триггера готовности блока выделения сигнала, в блок управления дополнительно введены последовательно соединенные со вторым выходом триггера управления первый одновибратор (схема задержки), сборка (схема ИЛИ), второй и третий одновибраторы, выход второго одновибратора соединен со входами сброса обоих блоков счетчиков анализатора, выход третьего одновибратора соединен со вторым входом схемы совпадения данного блока управления, а ее выход - со вторым входом второго триггера готовности блока выделения сигналов, в блок выбраковки ложных (искаженных) сигналов дополнительно введены последовательно соединенные первая схема совпадения, счетчик, декодер, два инвертора, вторая схема совпадения, которая соединена со вторым входом сборки блока управления и управляющими входами обоих блоков выходных ключей анализатора и компьютера, а также последовательно соединенных сборки, одновибратора и третьей схемы совпадения, выход которой соединен с третьим входом сборки блока управления, один вход сборки и вход первой схемы совпадения блока выбраковки связаны с выходом второго инвертора блока автоматического одновременного измерения времени, второй вход первой схемы совпадения соединен с выходом триггера Шмитта блока измерения амплитуды, второй вход сборки - с выходом амплитудо-временного преобразователя блока измерения амплитуды, выход одновибратора дополнительно связан со вторым входом второй схемы совпадения, а второй вход третьей схемы совпадения соединен с выходом первого инвертора.

На фиг.1 изображена блок-схема, на фиг.2 - функциональная схема системы контроля размера и скорости капель дождя, на фиг.3 - временная диаграмма работы системы.

Система контроля (фиг.1) содержит фотоэлектрический датчик ФД 1 с усилителем У 2, которые служат для преобразования размера и скорости капель в электрический куполо-, колоколообразный сигнал (импульс). Амплитуда сигнала пропорциональна размеру капли, а его длительность пропорциональна размеру капли и толщине (высоте) плоскопараллельного луча и обратно пропорциональна скорости капли. Кроме того, система контроля включает блок измерения амплитуды сигнала БИА 3, который служит для контроля размера капель, блок измерения времени - длительности сигнала БИВ 4, предназначенный для одновременного контроля их скорости, блок выделения сигнала (формирователя сигнала) БВС 5, который предназначен для выделения импульса (сигнала) от начала до окончания его действия, блок управления БУ 6, блок выбраковки ложных сигналов БВЛС 7, который измеряет количество максимальных значений сигнала и не дает возможности измерять параметры капли, когда сигнал имеет более одного максимального значения, и анализатор импульсов АИ 8, служащий для измерения, сортировки капель по их размеру и скорости.

Блок измерения амплитуды, который служит для контроля размера капель, состоит из последовательно соединенных схемы выделения максимального значения сигнала СВМ 9, триггера Шмитта ТгШ 10, триггера Тг 11, второй схемы совпадения Сп (схемы И) 12 (линейного ключа), амплитудно-временного преобразователя АВП 13, первой схемы совпадения Сп 14. Причем выход усилителя У 2 фотоэлектрического датчика ФД 1 связан с входом схемы выделения максимального значения сигнала СВМ 9 и со вторым входом второй схемы совпадения Сп 12 блока измерения амплитуды БИА 3.

Блок автоматического одновременного измерения времени БИВ 4 включает последовательно соединенные триггер Шмитта ТгШ 15, первый инвертор Инв 16, вторую схему совпадения Сп 18, второй инвертор Инв 19, первую схему совпадения Сп 19. Причем вход ТгШ 15 блока измерения времени БИВ 4 соединен с выходом усилителя У 2 фотоэлектрического датчика ФД 1, а генератор импульсов Г 20 связан со вторыми входами первых схем совпадения Сп 14 блока измерения амплитуды БИА 3 и Сп 19 блока измерения времени БИВ 4.

Блок выделения сигнала БВС 5 состоит из последовательно соединенных схемы совпадения Сп 21, инвертора Инв 22, первого триггера Тг 23, один выход данного триггера Тг 23 связан с вторым входом триггера Тг 11 блока измерения амплитуды БИА 3, второй выход триггера Тг 23 - со вторым входом схемы совпадения Сп 17 блока измерения времени БИВ 4, второй вход первого триггера Тг 23 и первый вход второго триггера готовности Тг 24 блока выделения сигнала БВС 5 соединены с выходом второго инвертора Инв 18 блока измерения времени БИВ 4, один вход схемы совпадения Сп 21 блока выделения сигнала БВС 5 соединен с выходом триггера Шмитта ТгШ 15 блока измерения времени БИВ 4, а ее второй вход с выходом триггера Тг 24.

Блок управления 6 включает последовательно соединенные триггер управления Тг 25 с входами "Пуск" и "Стоп", одновибратор (схему задержки) ОД 26, схему сборки (схему ИЛИ) СБ 27, второй и третий одновибраторы ОД 28, 29 и схему совпадения Сп 30, выход которой соединен с вторым входом второго триггера Тг 24 блока выделения сигнала БВС 5. Второй выход триггера управления Тг 25 связан со вторым входом схемы совпадения Сп 30.

Блок выделения ложных сигналов БВЛС 7 состоит из последовательно соединенных первой схемы совпадения Сп 31, счетчика 32, декодера ДК 33, первого и второго инвертора Инв 34, Инв 35 и второй схемы совпадения Сп 36. Кроме того, в блок БВЛС 7 входят последовательно соединенные схема сборки Сб 37, одновибратор ОД 38 и третья схема совпадения Сп 39. Причем один вход первой схемы совпадения Сп 31 и один вход схемы сборки Сб 37 соединены с выходом инвертора Инв 18 блока измерения времени БИВ 4, второй вход схемы совпадения Сп 31 соединен с выходом триггера Шмитта ТгШ 10 блока измерения амплитуды БИА 3, второй вход схемы сборки Сб 37 соединен с выходом амплитудно-временного преобразователя АВП 13 блока измерения амплитуды БИА 3, выход одновибратора ОД 38 дополнительно соединен с вторым входом второй схемы совпадения Сп 36, второй вход третьей схемы совпадения Сп 39 связан с выходом первого инвертора Инв 34. Выходы схем совпадения Сп 36 и Сп 39 соединены с вторым и третьим входами схемы сборки Сб 27 блока управления БУ 6.

Анализатор импульсов АИ 8 включает блок счетчиков амплитуды Сч 40, которые через выходные ключи Сп 41 связаны с компьютером ЭВМ 42, блок счетчиков времени Сч 43, которые также через выходные ключи Сп 44 связаны с компьютером ЭВМ 42. Входы счетчиков связаны с выходами схем совпадения Сп 14 блока измерения амплитуды БИА 3 и Сп 19 блока измерения времени БИВ 4. Управляющие входы блока счетчиков Сп 41 и Сп 43 соединены с выходом второго одновибратора ОД 28 блока управления, а управляющие входы выходных ключей Сп 41 и Сп 44 связаны с выходом второй схемы совпадения Сп 36 блока выбраковки ложных сигналов БВЛС 7.

Система работает следующим образом.

Капли, пролетая через заборную камеру, плоскопараллельный луч фотоэлектрического датчика ФД 1, меняют освещенность фотоэлемента, который стоит на входе усилителя У 2 и на его выходе появляется симметричный куполо-, колоколобразный сигнал (импульс). Амплитуда сигнала пропорциональна размеру капли, а его длительность пропорциональна размеру капли и высоте луча и обратно пропорциональна ее скорости. Этот сигнал одновременно поступает на схему выделения максимального значения (амплитуды) сигнала СВМ 9 и схему совпадения Сп 12 блока измерения амплитуды БИА 3 и триггер Шмитта ТгШ 15 блока измерения времени БИВ 4 для контроля размеров и скорости капель.

Схема СВМ 9 выделяет первую половину сигнала. В момент отсечки (на заднем крутом фронте) величина сигнала равна амплитуде, максимальному значению. Триггер Шмитта ТгШ 10 формирует прямоугольный импульс, длительность которого равна длительности первой половины сигнала.

Для измерения и регистрации параметров сигнала (амплитуды и длительности), а следовательно, параметров капли (размера и скорости), производится запуск (Пуск) триггера Тг 25 блока БУ 6, который по цепи ОД 26, Сб 27, ОД 28, ОД 29, Сп 30 последовательно осуществляет сброс счетчиков Сч 40, Сч 43 и включает триггер готовности Тг 24 к измерению параметров сигнала с усилителя У 2.

Если в этот момент не было сигнала на выходе усилителя У 2, то сигнал Сп 21 БВС 5 открывается триггером Тг 24 и через инвертор Инв 22 опрокидывает триггер Тг 23, который открывает схему Сп 17 для прохождения первого после открытия сигнала.

Если в момент включения триггера готовности Тг 24 уже присутствовал сигнал с У 2, то схема Сп 21 будет закрыта триггером Шмитта ТгШ 15. Триггер Тг 23 будет находиться в первоначальном положении. Схема Сп 17 будет закрыта и сигнал не поступит на измерение. Как только действие сигнала закончится, триггер Шмитта ТгШ 15 откроет схему Сп 21 и блок БВС 5 готов к выделению последующего сигнала для контроля его параметров.

Одновременно для измерения размера и скорости капель схема выделения максимального значения сигнала СВМ 9 через триггер Шмитта ТгШ 15 и триггер Тг 11 управляет линейным ключом Сп 12. Ключ пропускает на вход амплитудно-временного преобразователя АВП сигнал с крутым задним фронтом при достижении им своего максимального значения. Преобразователь АВП 13 трансформирует амплитуду сигнала во временной интервал, а схема совпадения Сп 14 модулирует его стабильной частотой генератора Г 20. На выходе Сп 14 появляется количество импульсов, пропорционально размеру измеряемой капли. В то же время информационный сигнал через триггер Шмитта ТгШ 15 поступает на инвертор Инв 16 блока измерения времени БИВ 4 и схему совпадения Сп 21 блока БВС 5. С инвертора Инв 16 сигнал через схему совпадения, управляемую триггером Тг 23 блока БВС 5, поступает на инвертор Инв 18. На его выходе появляется прямоугольный импульс с длительностью времени пролета измеряемой капли через луч света датчика. Он поступает на схему совпадения Сп 19, где производится его модуляция стабильной частотой генератора Г20. Импульсы с Сп 14 и Сп 19 поступают на счетчики Сч 40 и Сч 43.

После измерения амплитуды и длительности сигнала цепью управления блока выбраковки ложных сигналов БВЛС 7: сборка Сб 37, управляемая инвертором Инв 18 блока БИВ 4 и преобразователем АВП 13 блока БИА 3, одновибратор ОД 21, вырабатывается сигнал разрешения переноса информации со счетчиков Сч 40 и Сч 43 в компьютер ЭВМ 42.

Если сигнал с усилителя У 2 датчика ФД 1 имеет одно максимальное значение, то схема Сп 31 блока БВЛС 7, управляемая схемой выделения максимума СВМ 9 через триггер Шмитта ТгШ 10 блока БИА 3 и инвертором Инв 18 блока БИВ 4, пропускает 1 импульс, который фиксируется счетчиком Сч 32.

На единичном выходе декодера появится сигнал, который усиливается инверторами Инв 34 и Инв 35 и поступает на схему совпадения Сп 36. Разрешающий сигнал с одновибратора ОД 38 через Сп 36 поступает на схему сборки (схему ИЛИ) Сб 27 блока управления БУ 6 и одновременно на выходные ключи Сп 41 и Сп 44, компьютер ЭВМ 42 анализатора АИ 80. Информация со счетчиков Сч 40 и Сч 43 через открытые ключи Сп 41 и Сп 44 переписывается в компьютер, в памяти которого фиксируются значения амплитуды и длительности сигнала, по значениям которых вычисляются размер и скорость капли.

Далее через сборку Сб 27, одновибраторы ОД 28, ОД 29, схему совпадения Сп 30 блока БУ 6 сигнал разрешения поступает на сброс счетчиков Сч 40, Сч 43 и запуск триггера готовности Тг 24 блока ВВС 5 для измерения параметров следующей капли.

При одновременном присутствии капель в луче света во время преобразования в электрический сигнал, разрушении капли о края заборной камеры фотодатчика ФД 1, когда в луч одновременно попадают раздробленные, более мелкие капли, на выходе усилителя У 2 образуется искаженный сигнал с несколькими максимальными (экстремальными) значениями. При непрерывной длительности информационного сигнала на выходе ТгШ 10 вместо одного появляются два или более импульсов. Эти импульсы через открытую в момент измерения схему совпадения Сп 31 поступают на счетчик Сч 32 и регистрируются. На единичном выходе декодера ДК 33 отсутствует разрешающий сигнал для передачи информации со счетчика в компьютер. В этот момент схема совпадения Сп 39 открыта, а Сп 36 закрыта и сигнал разрешения по цепи Сб 37, ОД 38, Сп 39, Сб 27, ОД 28 поступает на сброс Сч 40, Сп 43, где зафиксированы параметры искаженного сигнала, и далее через ОД 29, Сп 30 запуск триггера готовности Тг 24 на измерение параметров следующей капли.

Таким образом, система контроля не регистрирует искаженные сигналы, а, следовательно, разбившиеся о края заборной камеры и одновременно находившиеся в луче света капли.

При использовании счетчиков, ключей оперативной памяти самого компьютера ЭВМ 42, после регистрации параметров контролируемой капли из компьютера ЭВМ выдается сигнал на схему сборки Сб 27 для контроля параметров следующей капли (пунктирная линия).

Источники информации

1. Авторское свидетельство № 372482, кл. G01N 15/02, БИ №13, 1973.

2. Исаев А.П., Цуканов В.К. Измерение характеристик искусственного дождя. - Ж. «Тракторы и сельхозмашины», № 1, 1973.

3. Авторское свидетельство № 343201, кл. G01N 15/06, БИ № 20, 1972.

4. Авторское свидетельство № 153587, БИ № 6, 1964.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может использоваться для измерения размера и скорости капель дождя. Система контроля содержит фотоэлектрический датчик с усилителем, блок измерения амплитуды сигнала, блок измерения времени - длительности сигнала, блок выделения сигнала, блок управления, блок выбраковки ложных сигналов и анализатор импульсов. Техническим результатом изобретения является увеличение производительности труда операторов-измерителей в десятки-сотни раз, снижение материалоемкости, повышение точности контроля и качества оценки дождя, создаваемого поливной техникой. 3 ил.

Система контроля размера и скорости капель дождя, включающая однолучевой фотоэлектрический датчик с усилителем, блок измерения амплитуды, содержащий схему выделения максимального значения сигнала, вход которой связан с выходом усилителя фотоэлектрического датчика, амплитудно-временной преобразователь, выход которого соединен с входом первой схемы совпадения (схемы "И"), второй ее вход связан с генератором импульсов, а ее выход с входом анализатора - с входами его блока счетчиков, которые через выходные ключи связаны с компьютером, блок выделения сигнала, содержащий схему совпадения, блок управления, содержащий триггер управления с входами "Пуск" и "Стоп", последовательно связанную с ним схему совпадения, отличающаяся тем, что в блок измерения амплитуды дополнительно введены последовательно соединенные триггер Шмитта, триггер и вторая схема совпадения, ее выход соединен с входом амплитудно-временного преобразователя, причем второй вход второй схемы совпадения соединен с входом схемы выделения максимального значения, выход которой связан с входом триггера Шмитта, дополнительно введен блок автоматического одновременного измерения времени (длительности импульса), который включает последовательно соединенные триггер Шмитта, первый инвертор, вторую схему совпадения, второй инвертор, первую схему совпадения, причем вход триггера Шмитта соединен с выходом усилителя фотоэлектрического датчика, а генератор импульсов связан со вторым входом первой схемы совпадения, выход которой соединен со вторым входом анализатора - с входами блоков счетчика времени, которые через вторые выходные ключи связаны с компьютером, в блок выделения сигнала введены последовательно соединенные со схемой совпадения инвертор, первый триггер, один выход данного триггера связан со вторым входом триггера блока измерения амплитуды, второй выход первого триггера - со вторым входом схемы совпадения блока измерения времени, второй вход первого триггера и первый вход второго триггера готовности блока выделения сигнала соединены с выходом второго инвертора блока измерения времени, один вход схемы совпадения блока выделения сигнала соединен с выходом триггера Шмитта блока измерения времени, а ее второй вход с выходом триггера готовности блока выделения сигнала, в блок управления дополнительно введены последовательно соединенные со вторым выходом триггера управления первый одновибратор (схема задержки), сборка (схема "ИЛИ"), второй и третий одновибраторы, выход второго одновибратора соединен с входами сброса обоих блоков счетчиков анализатора, выход третьего одновибратора соединен со вторым входом схемы совпадения данного блока управления, а ее выход со вторым входом второго триггера готовности блока выделения сигналов, в блок выбраковки ложных (искаженных) сигналов дополнительно введены последовательно соединенные первая схема совпадения, счетчик, декодер, два инвертора, вторая схема совпадения, которая соединена со вторым входом сборки блока управления и управляющими входами обоих блоков выходных ключей анализатора и компьютера, а также последовательно соединенных сборки, одновибратора и третьей схемы совпадения, выход которой соединен с третьим входом сборки блока управления, один вход сборки и вход первой схемы совпадения блока выбраковки связаны с выходом второго инвертора блока автоматического одновременного измерения времени, второй вход первой схемы совпадения соединен с выходом триггера Шмитта блока измерения амплитуды, второй вход сборки - с выходом амплитудо-временного преобразователя блока измерения амплитуды, выход одновибратора дополнительно связан со вторым входом второй схемы совпадения, а второй вход третьей схемы совпадения соединен с выходом первого инвертора.