Поточный измеритель водности Советский патент 1984 года по МПК G01W1/00 

2. Измеритель по п. 1, о т л ичающийся тем, что электррдвигатель электромеханического привода включен в диагональ введенного уравновешенного резистивного моста, другая диагональ которого снабжена источником питания, параллельно одному из плеч моста включен активный элемент выходного каскада усилителя постоянного тока, а последовательно с тем же плечом включен введенный ключевой прерыватель, соединенный с выходом усилителя переменного тока.

1. ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВОДНОСТИ по авт.св. № 777611, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений за счет автоматизации подстройки режима его работы, он снабжен электромеханическим приводом с блокирунвдим узлом, усилителем постоянного тока, выход которого соединен с управляющей цепью привода, усилителем переменного тока, выход которого подключен к управляющей цепи блокирующего узла, причем электромеханический привод кинематически связан с подвижным контактом переменного резистора, а входы усилителя постоянного тока и усилителя переменного тока подключены к выходу пострянного тока нуль-органа основной измерительной цепи. о о оо 00 05

Изобретение относится к метеорологическим измерениям, конкретнее к измерителям водности облаков, например, с самолета. По.основному авт. св. 777611 G 01 W 1/00 известен поточный измери тель водности, основанный на измерении мощности, затрачиваемой непосред ственно на испарение воды, осгасдающейся из потока на нагретый чувствительный элемент. Этот измеритель содержит два чувствительных элемента с Термозависимым сопротивлением основной и вспомогательный, защищенный от воздействия облачного аэрозоля, - включенных в замкнутые цепи стабилизации температуры ях подогрева. Каждая цепь состоит из резистивного моста, включакщего в себя чувст вительный элемент в качестве одяого из плеч, нуль-орган и исполнительный усилитель мощности, причем усилитель мощности основной цепи измерителя выполнен с выходом на постоянном токе, являющимся йнфбрмационнЕд выходом измерителя и нагруженным на со ртветствующий мост, а усилитель мсчдности вспомогательной цепи - с выходом на переменном токе) иагружениьам иа оба моста. Для обеспечения необходимого начального подогрева основного чувствительного элемента, при котором сигнал на ннфос ационном тлходе зависит только от водности потока, S цепь питания резистивных мостов переменным током включен подстроечный переменней резистор. С помсх ью этого переменного резис тора по показаниям визуальных индикаторов добиваются, чтобы при заведомо нуле вой воАНОсТи управляющее напряжение на выходе нулыоргана и соответетвен но напряжеиие на информационном выходе были равны нулю Г13. В условиях стационарного режима потока указанная операция является практически разовой. Однако, если режим потока {скорость и направление относительно датчика, плотность воздуха) является изменчивым,, как например, при использовании измерителя на самолете, то s результате непропорциональных изменений коэффициентов теплоотдачи чувствительных элементов, находящихся в разных аэродина шческих условиях, возникает дрейф управляющего напряжения на выходе нуль-орь.гана, снижающий чувствительность и точность измерений. Регулярная (по мере необходимости) подстройка нулевого выхода позволяет повысить эти показатели, однако ручной характер операции требует от оператора определенного навыка н внимания, делает его работу трудоемкой и создает предпосылки для субъективных ошибок измерений, вызванных, в частности, отсутствием точной и объективной индикации нулевой водности. Все эти недостатки проявляются тем сильнее, чем быстрее изменяются водность и режим потока и чем ниже измеряемая водность. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений одновременно с облегчением труда оператора в сложных условиях измерений например при использовании измерителя водности на самолете, за счет автоматизации подстройки режима работы измерителя. Для достижения поставленной цели поточный измеритель водности снабжен электромеханическим приводом с блокируквдим узлом, усилителем постоянного тока, выход которого соединен с управляющей цепью привода, усилителем переменного тока, выход которого подключен к управляющей цепи блокирующего узла, причем электромеханический привод кинематически связан с подвижным контактом переменного резистора, а входы усилителя постоянного тока и усилителя переменного тока подключены к выходу постоянного тока нуль-органа основной измерительной цепи. Кроме того,электродвигатель электромеханического привода включен в диагональ введенного уравновешенного (езистивного моста, другая диагональ которого снабжена источником питания, параллельно одному из плеч моста включен активный элемент выходного каскада усилителя постоянного тока, а последовательно с тем же плечом включен введенный ключевой прерыватель, соединенный с выходом усилителя переменного тока. На фиг. 1 представлена общая функциональная схема предлагаемого измерителя водности; на фиг. 2 пример выполнения схемы управления электромеханическим приводом. Поточный измеритель водности содержит два чувствительных элемента с термозависимым сопротивлением: основной 1, открытый для осаждения воды из потока, и вспомогательный (экранированный) 2, защищенный от осаждения водного аэрозоля. Оба чувствительных элемента 1 и 2 включены в плечи мостов 3 и 4, к измери тельным Д1 агоналям которых подключе ны нуль-органы, составленные из усилителей 5 и ь переменного напряжени синхронных детекторов 7 и 8, фильтро 9 и 10 остаточного переменного напр жения. К нуль-органу основной цепи измерителя подключен исполнительный усилитель 11 постоянного тока с высокоомным выходом, нагруженным на питающую диагональ моста 3 основног чувствительного элемента 1, а к нуль-органу вспомогательной цепи генератор 12 переменного напряжения управляемой по входу амплитуды. Запуск генератора 12 и синхронных детекторов 7 и 8 производится от общего згшающего генератора 13. К выходным зажимам генератора 12 чере конденсатор 14 включены последовате но по питанию оба моста 1,3 и 2,4. В цепь питания мостов включен переменный резистор (потенциометр) 15, с помсяцью которого регулируется мощ ность переменного тока через основной чувствительный элемент 1. С подвижным контактом потенциометра 15 кинематически связан через редуктор 16 электромеханический при вод, выполненный в виде реверсивного электродвигателя 17 постоянного тока, включенного в-дифференциальны выход усилителя 18 постоянного тока В цепь электродвигателя 17 включен блокирующий узел, выполненный в вид прерывателя 19 (например, контактного реле) , управляемый с выхода ус лителя 20 переменного напряжения. Входы обоих усилителей подключены к выходу постоянного тока нуль-органа основной цепи, т.е. к выходу, управ ляквдему током усилителя 11. Информационный сигнал измерителя снимается с зажимов чувствительного элемента 1 и через фильтр 21 переменного напряжения подается на регистрирующее устройство 22. В схеме управления лектромеханическим приводом (фиг. 2) вместо усилителя 18 используется цепь из ринейного усилителя 23 постоянного тока, линейного выходного каскада, состоящего из активного элемента (транзистора) 24 и нагрузки 25, и резисторного полумоста 26. Электродвигатель 17 включен между выходным каскадом 24 и 25,и полумостом 26. Резистор 27, включенный последовательно с прерывателем (ключом) 28, дополняет цепь резисторов 26 и 25 до уравновешенного моста (при, замкнутом ключе 28). Ключ 28 управляется с выхода усилителя 20 переменного напряжения через пиковый детектор 21. Работа измерителя водности сводится к подогреву основного чувствительного элемента 1 протекапцкм током до,постоянной температуры, например, 80-100 С таким образом, чтобы начальные (конвектные и другие) потери тепла компенсировались модностью переменного тока питания, а потери тепла на нагревание и испарение осаждающейся из потока воды - модностью постоянного тока, служащей мерой измеряемой водности.. Возможность осуществления предлагаемого способа измерений обусловлена принципом аддитивности мощностей некогерентных токов (в данном случае постоянного и переменного), вьщеля щихся в общей нагрузке. Постоянный ток питания чувствительного элемента 1 вырабатывается в замкнутой цепи его термостабилизации, составленной контуром 1-3-57-9-11, а переменный - в аналогичной вспомогательный цепи стабилизации температуры экранированного чувствительного элемента 2, образуемой контуром 2-4-6-8-10-12-14, в исполнительную цеп1 которого включен мост 1 и 3. Мосты 1,3 и 2,4 , сбалансированы при сопротивлениях соответствуквдих чувствительных элементов,которые они принимают при одинаковой рабочей темп ературе. Для правильной работы измерителя необходимо, чтобы в условиях сухого потока (нулевой водности) мост 1 и 3 находился в равновесии и нулевое напряжение на входе усилителя 11 (Совпадало с порогом отпирания последнего. Необходимый для этого следящий переменный ток подогрева чувствительного элемента 1 устанавливается с помощью потенциометра 15, путем подбора соотношения сопротивлений плеч, шуитируницих мосты 1,3 и 2,4 по цепи питания. В предлагаемом измерителе эта операция производится автоматически. Когда исследуемый поток не содержит водного аэрозоля (сухой поток), на выходе фильтра 9 выделяется сигнал разбаланса моста 1 и 3 в виде постоянного напряжения. При этом сигнал управления ключом 19 на выходе усилителя 20 отсутствует и ключ 19 замкнут. Сигнал разбаланса

усиливается усилителем 18 постоянного тока и питает электродвигатель 17, при вращении которого подвижный контакт потенциометра 15 перемещается в направлении уменьшения разбаланса моста 1 и 3. При .-.наступлении баланса моста 1 и 3, т.е. при нулевом выходе нуль-органа 5-7-9 электродвигатель 17 останавливается фиксируя подвижный контакт потенциометра 15 в приложении готовности к измерениям.

При наличии в потоке частиц водного аэрозоля, осаждающихся на чувствительный элемент 1, не только повышается его теплоотдача, но и появляются флуктуации его температуры и в итоге напряжения разбаланса моста. Эти флуктуации вызываются дискретным характером теплового воздействия на чувствительный элемент со стороны индивидуальных частиц,осаждающихся на чувствительный элемент, за малый промежуток времени, а также пространственными .флуктуациями самой величины водности Обусловленная этими причинами переменная составляквдая на выходе фильтра 9 усиливаетсяусилителем 20 и вызывает срабатывание (размыкание) ключа 19, вследствие чего электромеханический привод потенциометра 15 блокируе.тся в фиксированном положении его подвижного контакта. Поскольку теплоотдача экранированного чувствительного элемента 2 и, следовательно, мощность переменного тока питания основного чувствительного элемента 1 не зависят от водности потока, при отличной от нуля водности мсхцность переменного тока уже не в состоянии скомпенсировать тепловые -потери основного чувств ительного элемента 1, и возникающий разбаланс моста 1 и 3 приводит к отпиранию усилителя 11 постоянного тока, питакхцего этот мост постоянным током. Информационным выходом измерителя служит постоянная составляющая напряжения на выходе чувствительного элемента 1, вьщеляемая с помощью фильтра 21.

В схеме управления.электромеханическим приводом (фиг. 2), при нулевой водности ключевой прерыватель 28 разрмкнут, и при изменениях постоянного напряжения на входе усилителя 23 напряжения питания двигателя 17 меняется в обеих полярностях, по-прежнему обеспечивая перемещение подвижного контакта потенциометра 15 в обе стороны н зависимости от направления разбаланса моста. При появлении переменного напряжения на входе усилителя 20 его выходное

напряжение детектируется пиковым детектором 21 и замыкает ключевой прерыватель 28. Теперь при запертом каскаде 24 напряжение на выводах электродвигателя, подсоединенных к диагонали уравновешенного моста, равно нулю, а при отпирании каскада 24 напряжение питания двигателя меняется только в одной полярности. При этом каскад 24 отпирается тем же напряжением на входе усилителя 23, которое запирает усилитель 11, и в результате этого отработка положения подвижного контакта переменного резистора 15 при нулевом выходе усилителя 11 происходит независимо от состояния ключа 28, т.е. независимо от наличия водного аэрозоля в потоке.

Такое управление электромехани:Ческим приводом позволяет корректировать температуру основного чувствительного элемента не только при нулевой водности, но также ,и при наличии водного аэрозоля в потоке, если при этом выходной информационный сигнал в результате повышения температуры чувствительного элемента становится равным нулю (это иногда наблюдается при малых значениях измеряемой водности). Таким образом предлагаемая схема управления электрическим приводом (фиг. 2) позволяет дополнительно повысить чувствительность устройства в обнаружении малых значений водности исследуемой среды.

Испытания предлагаемого поточного измерителя водности на самолете показали, что переменная составляющая напряжения на рыходе нуль-органа является более чувствительным индикатором водности потока, чем сигнал на информационном выходе и тем более результаты визуальных наблюдений оператора. Подстройка нуля выхода измерителя, подготовка его к измерениям.производится в автоматическом режиме значительно более оперативно и качественно, чем вручную оператором.

Использование изобретения в сложных условиях измерений, например на самолете, позволяет повысить качество инструментальных наблюдений (чувствительность и точность измерений) главным образом за счет обеспечения их объективной достоверности и стандартизации методики и при этом облегчить условия труда оператора, снизить требования к его квалификации, освободить его от постоянных трудозатрат по обеспечению работы измерителя водности.