Устройство для измерения характеристик движения частиц атмосферных осадков

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ, содержащее оптический блок, включающий источник излучения с коллимирующей системой, апертурную и приемную диафрагмы, установленные напротив друг друга, и выполненные каждая в виде четырех щелей, две из которых параллельные друг другу, а две другие установлены под различными углами к ним, четыре фотоприемника, установленных за каждой из щелей приемной диафрагмы, а также блок вычисления и регистрации, причем выходы фотоприемников соединены с входами блока вычисления и регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений скоростей и углов движения частиц, в него дополнительно введены блоки вычисления максимального, минимального и среднего углов движения частиц, блок управления, поворотное устройство оптического блока около вертикальной оси и измеритель направления скорости ветра, при этом горизонтальная ось оптического блока совпадает с горизонтальной осью измерителя направления ветра, блоки вычисления минимального и максимального углов движения частиц включены между первыми и вторыми выходами блока вычисления и регистрации и входами блока управления, соответственно блок вычисления среднего угла движения частиц соединен своими входами с выходами блоков вычисления минимального и максимального углов движения частиц, а выходом - с третьим входом блока управления, выход которого соединен с входом поворотного устройства вертикальной оси оптического блока, выход которого соединен с четвертым входом блока управления и третьим выходом блока вычисления и регистрации.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения скорости падения частиц атмосферных осадков.
Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений скорости и углов движения частиц.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства.
Устройство содержит оптический блок, включающий источник оптического излучения 1, коллимирующую систему 2, апертурную диафрагму 3, приемную диафрагму 4, приемную оптику 5, четыре фотоприемника 6, а также устройство вычисления и регистрации 7, блок вычисления минимального значения ( _мин) угла падения частиц 8, блок вычисления максимального значения ( _макс) угла движения частиц 9, блок вычисления среднего угла ( _о= ( _макс+ _мин)/2) движения частиц 10, блок управления 11, поворотное устройство 12 вертикальной оси оптического блока, измеритель направления скорости ветра 13, связанный с оптическим блоком и блоком поворота.
На фиг. 2 показано выполнение щелей в апертурной диафрагме.
Соответственно этим щелям напротив них устанавливаются равные по размерам диафрагмы в приемной системе. Щели 1 и 2 параллельны между собой. Щель 3 и 4 установлены под углом и соответственно. Причем прямые, проходящие в плоскости апертурной диафрагмы по длине щелей 2, 3 и 4, пересекаются в одной точке О₃. На фиг. 2, кроме того, показана траектория падения частиц ОД под углом к вертикали, горизонтальная ОО₂и вертикальная ОО₁ оси оптического блока.
На фиг. 3 приведены графики зависимости максимального _макс и минимального мин угла наклона траектории падения частиц осадков, а также разности между этими углами = _макс- _мин в зависимости от скорости ветра.
На фиг. 4 показано положение осей ОО₁ и ОО₂ и система отсчета углов.
На фиг. 5 приведен пример выполнения блока управления.
Устройство работает следующим образом.
По сигналам с измерителя скорости ветра 13, например М - 63, горизонтальная ось ОО₂ оптического блока вместе с блоком поворота устанавливается всегда навстречу направлению скорости ветра ( ). В начальном состоянии параллельные щели установлены в горизонтальном положении. Частица при движении пересекает последовательно световые пучки, сформированные щелями 1 и 4. Во время нахождения частицы в пучке сигнал с фотоприемника уменьшается за счет затемнения частицей части пучка. Устройство обработки и регистрации 7 измеряет время прохождения каждой частицей расстояния между первым и вторым пучками t₁, между вторым и третьим пучками t₂, а также между третьим и четвертым пучками - t₃. При этом угол наклона траектории движения частицы к вертикальной оси ОО₁ оптического блока рассчитывается по формуле
= arctg , где B= t₃/t₂, N= tg /tg .
Общая скорость движения V, вертикальная V и горизонтальная V₌- составляющие скорости движения частицы определяются соответственно по формулам
V= l₁/t₁cos , V = l₁/t₁, V₌= tg , где l₁ - расстояние между горизонтальными щелями.
Сигнал о угле падения частиц с выхода устройства обработки и регистрации 7 поступает на блоки 8 и 9 вычисления максимального _макси минимального углов падения частиц относительно вертикальной оси ОО₁оптического блока измерителя. Сигналы с выходов блоков 8 и 9 поступают на входы блока вычисления среднего угла падения частиц 10, определяющего средний угол падения частиц _о= ( _макс- _мин)/2, и блока управления 11 поворотного устройства 12 вертикальной оси ОО₁ оптического блока. Когда угол становится близким к углу , блок управления 11 падает сигнал на поворотное устройства 12, которое поворачивает вертикальную ось ОО₁, на угол _о, значение которого поступает в блок управления 11 с блока 10. Сигнал о величине угла наклона ₁, вертикальной оси ОО₁ оптического блока подается в блок управления 11 и блок вычисления и регистрации, в котором рассчитывается действительный угол падения частиц ₁= + ₁, где - измеряемый угол падения частиц относительно оси ОО₁, а ₁- угол наклона оси ОО₁, относительно вертикали. По величинам и ₁ в устройстве вычисления и регистрации рассчитывается общая скорость движения частиц V, вертикальная V и горизонтальная V₌ - составляющие скорости по формулам
V= ; V = ;
V=
Аналогично производится управление, когда _мин становится близким к углу , но угол наклона оси ОО₁ при этом уменьшается на угол _о. Причем знак угла относительно вертикальной оси ОО₁ оптического блока определяется величиной . Если B>B_o= N-1 знак при -минус, при < _o - плюс. Значение B_o= N-1 соответствует нормальному для горизонтальных щелей (параллельно оси ОО₁) движению частиц и = 0).
Углы, под которыми могут двигаться частицы осадков при скоростях ветра от 2 до 10 м/с, можно вычислить из фиг. 3, где приведены зависимости углов движения частиц в градусах: _макс - кривая 1, _мин - кривая 2, и = _макс- _мин - кривая 3, для капель дождя на фиг. 3а, града - 3б, крупы - 3в.
В турбулентном потоке воздуха капли воды диаметром больше 5 мм будут распадаться, так что в атмосфере можно считать, что R_макс= 2,5 мм. Капли с R<0,25 мм почти не имеют направленного движения и кажутся плавающими в воздухе (так называемая морось). Поэтому для дождя R_мин 0,3 мм.
Установившаяся скорость падения максимальных частиц V_макс= 9,09 м/с, а минимальных частиц V_мин= 2,05 м/с. Как видно, из фиг. 3 а, частицы дождя, имеющие минимальный радиус R_мин, падают под максимальными углами _макс и уже при скорости ветра V>3 м/с этот угол больше 45^о, т. е. эти частицы не могут пролететь через все четыре пучка при 45^о.
Крупные частицы дождя даже при ветре V 10 м/с падают под углами меньше <45<sup>о. Более того, максимальная разность = _макс- _мин не превышает _макс<40<sup>о, и минимальная разность _мин 20^о.
Расчет угла при ветре V_В проводят по формуле
= arctg , где V_п - установившаяся скорость падения частицы.
Для града оценку проводят, принимая минимальную скорость падения градин V_мин= 10 м/с, а максимальную скорость V_макс= 30 м/с. На фиг. 3б приведены зависимости углов падения для града.
Из фиг. 3б видно, что частицы града при ветре V= 10 м/c летят под углом меньше 45^о. Максимальная разница между _макс- _мин= = не превышает _макс<30<sup>о, минимальная _мин 5^о во всем диапазоне скоростей ветра.
В случае крупы за V_макс принимают 3 м/с, а V_мин 12 м/с. При ветре V= 1,5 м/с частицы крупы имеют >45^о и не будут пролетать через все пучки. Причем _макс 25^о, а _мин 10^о. В снеге угол >45^одаже при ветре 1 м/с, так как скорость падения снежинок, хлопьев и др. не превышает 1 м/с, а при самой сложной смеси частицы в одном и том же снегопаде V_мин не менее 0,25 м/с. При этих исходных данных для снега _макс 31^о, а _мин= 4,3^о при V_В= 1-10 м/с. Результаты оценок приведены на фиг. 3 в.
Таким образом, для атмосферных осадков при скоростях ветра V 10 м/c разность между максимальным и минимальным углам падения частиц меньше 40^о, но более 4,3^о. Т. е. измеритель с = 45^о при фиксированном положении обеспечивает измерение всех частиц падающих в конусе с углом 40^о, если вертикальная ось оптического блока ОО₁ установлена под таким углом ₁, что ₀= 0. Это обстоятельство поясняется фиг. 4. На фиг. 2 углы _макс, _мин - максимальный и минимальный углы движения частиц, измеренные относительно оси ОО₁, ₁= _макс+ ₁; ₁= - _мин+ ₁, ₁ - угол наклона оси ОО₁, _о - угол рассогласования между положениями оси ОО₁ и средним направлением угла падения частиц ОО₁. Поэтому поворотное устройство 12 по сигналам блока управления доворачивает вертикальную ось ОО₁ оптического блока измерителя на угол _о в положение ОО₁, направляя ось ОО₁ навстречу падающим частицам, т. е. совмещая ось ОО₁ со средним углом падения частиц. Причем, если _макс> > , то наклон вертикальной оси ОО₁ увеличивается, пока _о не станет равным или близким к 0, если _мин - - угол наклона уменьшается на угол _о, пока _o 0.
Связь между измерителем скорости, ветра, например, М-47 с оптическим блоком может быть выполнена следующим образом. Оптический блок вместе с блоком поворота устанавливается на платформе, которая вращается с помощью сельсинового двигателя - приемника, аналогичного, например, в электронном блоке М-47 или другого, управляемого от сельсина - датчика, установленного в датчике М-47. Такая связь всегда обеспечивает совпадение горизонтальных осей измерителя направления скорости ветра и оптического блока. Т. е. ось ОО₂ оптического блока всегда направлена навстречу ветру.
Пример выполнения блока управления приведен на фиг. 5, на котором показаны соединенные определенным образом компараторы 13, 14, инвертор 15, схема 16 совпадений, RS-триггер 17, блок 18 памяти, сумматор 19, ключи 20, 21, усилитель 22, двигатель 23, датчик 24 угла поворота, детектор 25 нуль-сигнала и формирователь 26 импульсов.
(56) Авторское свидетельство СССР N 1223725, кл. G 01 W 1/00, 1986.
Изобретение относится к области метеорологии. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений скорости и углов движения частиц. Сигнал о угле падения частиц с выхода устройства 7 обработки и регистрации поступает на блоки 8 и 9 вычисления максимального g_макс и минимального углов падения частиц относительно вертикали оси оптического блока измерителя. Сигналы с выходов блоков 8 и 9 вычисления поступают на входы блока 10 вычисления среднего угла падения частиц и блока 11 управления поворотного устройства 12 вертикальной оси оптического блока. Когда угол становится близким к углу b установки щели 4, блок 11 управления подает сигнал на воротное устройство 12, которое поворачивает вертикальную ось оптического блока на угол, значение которого поступает в блок 11 управления и в блок 10 вычисления, в котором рассчитывается действительный угол падения частиц относительно оси оптического прибора. 5 ил.