Аэрологический радиозонд

 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано при создании радиозондов, измеряющих профиль метеовеличины в атмосфере. Аэрологический радиозонд содержит измерительную цепь 1, в состав которой входят резистивный датчик 2 метеовеличины, образцовые резисторы 3 - 5, двухпозиционный переключатель 6 и операционный усилитель 7. Радиозонд содержит также суммирующий усилитель 8, выполненный на основе операционного усилителя 12 и резисторов 9 - 11, блок 13 управления канальными интервалами времени, резистивный сумматор 14, интегратор 15, компаратор 16, логические элементы 17, 18 и радиопередатчик 19. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к метеорологии, в частности к метеорологическим радиозондам, измеряющим вертикальный профиль метеовеличины в атмосфере.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является радиозонд, содержащий радиопередатчик, блок управления канальными интервалами времени, интегратор, компаратор, измерительную цепь, содержащую двухпозиционный переключатель, операционный усилитель и два параллельно соединенных резистивных делителя, первый из которых включает последовательно соединенные резистивный датчик метеовеличины R_q и образцовый резистор R_kq, а второй делитель включает два последовательно соединенных образцовых резистора R_k1, R_k2, при этом средние точки резистивных делителей раздельно подключены к входам двухпозиционного переключателя, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к точке соединения резистивного датчика метеовеличины с крайней точкой второго делителя, управляющий вход двухпозиционного переключателя соединен с первым выходом блока управления канальными интервалами времени.

Недостатком этого радиозонда является нестабильность характеристики преобразования измерительной цепи при изменении условий эксплуатации.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении стабильности характеристики преобразования измерительной цепи при изменениях условий эксплуатации.

Для этого в аэрологический радиозонд, содержащий радиопередатчик, блок управления канальными интервалами времени, интегратор, компаратор, измерительную цепь, содержащую двухпозиционный переключатель, операционный усилитель и два параллельно соединенных резистивных делителя, первый из которых включает последовательно соединенные резистивный датчик метеовеличины R_q и образцовый резистор R_kq, а второй делитель включает два последовательно соединенных образцовых резистора R_K1, R_K2, при этом средние точки резистивных делителей раздельно подключены к входам двухпозиционного переключателя, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к точке соединения резистивного датчика метеовеличины с крайней точкой второго делителя, управляющий вход двухпозиционного переключателя соединен с первым выходом блока управления канальными интервалами времени, дополнительно введены резистивный сумматор, суммирующий усилитель, первый одновходовой и второй двухвходовой логические элементы, при этом к первом и второму входам компаратора раздельно подключены выходы резистивного сумматора и суммирующего усилителя, а выход компаратора через первый логический элемент подключен к одному из входов второго логического элемента, объединенному с входами радиопередатчика, интегратора и одним из входов резистивного сумматора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход суммирующего усилителя соединен с выходом операционного усилителя измерительной цепи, другой вход второго логического элемента подключен к второму выходу блока управления, а выход второго логического элемента соединен с вторым входом суммирующего усилителя, объединенным с точкой соединения образцовых резисторов первого и второго резистивных делителей измерительной цепи.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиозонда.

Радиозонд содержит измерительную цепь 1, резистивный датчик 2 метеовеличины, суммирующий усилитель 8, блок 13 управления канальными интервалами времени, резистивный сумматор 14, интегратор 15, компаратор 16, два логических элемента 17 и 18 и радиопередатчик 19. Измерительная цепь выполнена на операционном усилителе 7 с двумя параллельными цепями отрицательной обратной связи, одна из которых образована резистивным датчиком 2 и образцовым резистором 3, другая двумя образцовыми резисторами 4 и 5. Подключение этих цепей обратной связи к инвертирующему входу операционного усилителя 7 производится с помощью двухпозиционного переключателя 6. В рабочем канале подключается цепь обратной связи, образованная резистором 3 и датчиком 2, а в канале мультипликативной коррекции резисторами 4 и 5. Входом измерительной цепи является общая точка резисторов 3 и 5, которая соединена с вторым входом суммирующего усилителя 8 и с выходом логического элемента 18. Суммирующий усилитель 8 выполнен на операционном усилителе 12 с цепью отрицательной обратной связи, образованной резисторами 9-11, причем резисторы 9 и 10 являются образцовыми. Логические элементы 17 и 18 обеспечивают формирование двух близких по величине опорных напряжений, знакопеременных относительно общего потенциала. В качестве этих элементов могут быть использованы, например, логические элементы НЕ и 2И-НЕ, выполненные на одном кристалле по КМОП-технологии (например, на микросхеме К561ЛА7), поскольку логические уровни напряжений на выходах таких элементов близки. Изменение знака опорных напряжений относительно общего потенциала может быть обеспечено за счет использования в качестве общего потенциала средней точки напряжения источника питания элементов, организованной, например, с помощью резистивного делителя.

Блок 13 управления обеспечивает последовательную во времени передачу радиозондом в соответствующих канальных интервалах телеметрических сигналов рабочего, мультипликативной коррекции и аддитивной коррекции. Первый выход блока соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя 6, а второй с одним из входов логического элемента 18. Блок управления может быть реализован, например, в виде тактового генератора и логической схемы, обеспечивающей на выходах блока циклически повторяющиеся логические уровни напряжений в соответствии с таблицей.

Радиопередатчик 19 может быть реализован, например, на основе СВЧ-автогенератора и генератора поднесущей частоты. На модулирующий вход передатчика поступает телеметрический сигнал, который производит частотную (либо амплитудную модуляцию поднесущего или несущего колебания.

Аэрологический радиозонд работает следующим образом.

Рабочий сигнал и сигнал мультипликативной коррекции формируются радиозондом при поступлении с второго выхода блока 13 управления канальными интервалами на второй вход логического элемента 2И-НЕ 18 высокого логического уровня напряжения, обеспечивающего возможность формирования на выходе этого элемента знакопеременного относительно общего потенциала опорного напряжения U₀₂, в противофазе повторяющего опорное напряжение U₀₁, действующее на выходе логического элемента НЕ 17. Эпюры напряжений, поясняющие принцип формирования рабочего сигнала и сигнала мультипликативной коррекции приведены на фиг. 2 а,б. В процессе формирования полупериодов выходных колебаний разнополярные (относительно общего потенциала) перепады опорного напряжения U₀₂ поступают на вход измерительной цепи 1 и второй вход суммирующего усилителя 8, с выхода которого разнополярное напряжение U_p (в рабочем канале) либо U_мк (в канале мультипликативной коррекции) поступает на первый вход компаратора 16. Величины напряжений U_р и U_мк связаны с параметрами элементов измерительной цепи и усилителя-сумматора следующими выражениями: U_p U₂ ·R_q- (1) U_мк= U (2) где R_q сопротивление датчика 2; R_kq, R_k1, R_k2 сопротивления резисторов 3, 5 и 4 измерительной цепи; R₂, R₁ и R₃ сопротивления резисторов 9-11 усилителя-сумматора.

Как видно из выражений (1) и (2), измерительная цепь и суммирующий усилитель выполняют функцию мостовой цепи, аналогично используемой в радиозонде, однако в этом случае исключается взаимосвязь чувствительности измерительной цепи и тока, протекающего через датчик, величина которого равна I_q= (3) На первый вход компаратора 16 с выхода резистивного сумматора 14 поступает линейно изменяющееся развертывающее напряжение, которое является результатом сложения с соответствующими весовыми коэффициентами опорного напряжения U₀₁ и выходного напряжения интегратора 15. В момент равенства напряжений на обоих входах компаратора за счет положительной обратной связи, действующей с выхода логического элемента 17 через резистивный сумматор 14 на первый вход компаратора, возникает лавинообразный процесс, в результате которого компаратор 16 за достаточно короткое время переходит в новое устойчивое состояние, при этом изменяется полярность опорных напряжений U₀₁ и U₀₂, а также полярность напряжения на выходе суммирующего усилителя 8. Далее начинает формироваться полупериод выходного колебания, процесс формирования которого отличается от первого только противоположным направлением развертывания. При равенстве опорных напряжений U₀₁ и U₀₂ выражения для периодов повторения выходных импульсов в рабочем канале Т_р и в канале мультипликативной коррекции Т_мк будут иметь вид: T_p= 4τ· + 4τ ·R_q- + 4 t₃ (4) T_мк= 4τ· + 4τ ·R_k2- + 4 t₃
(5) где τ- постоянная времени интегратора 15;
К_с1 и К_с2 коэффициенты передачи резистивного сумматора 14 по первому и второму входам;
t₃ время задержки.

Величина времени задержки определяется быстродействием компаратора 16, временем установления опорного напряжения U₀₁ и задержкой в интеграторе 15. Время установления опорного напряжения U₀₂ и напряжения на выходе суммирующего усилителя 8 не оказывает влияния на процесс переключения при условии, что это время значительно меньше половины периода выходного колебания.

Сигнал аддитивной коррекции формируется радиозондом при поступлении на второй вход логического элемента 18 низкого логического уровня напряжения. В результате, независимо от уровня напряжения на выходе компаратора 16, опорное напряжение U₀₂ и напряжение на выходе суммирующего усилителя 8 U_p (U_мк) будут иметь постоянный знак (положительный относительно общего потенциала) в течение всего канального интервала аддитивной коррекции. Положение переключателя 6 измерительной цепи в этом случае может быть любым. Процесс формирования сигнала аддитивной коррекции поясняется эпюрами напряжений, приведенными на фиг. 2в. Развертывающее напряжение на выходе резистивного сумматора 14, приложенное к первому входу компаратора 16, которое так же, как и в остальных канальных интервалах, является результатом суммирования опорного напряжения U₀₁ и выходного напряжения интегратора, сравнивается с выходным напряжением суммирующего усилителя 8. Последнее напряжение воспринимается компаратором 16 как постоянное напряжение смещения, величина которого не оказывает влияния на длительность периода выходных импульсов сигнала аддитивной коррекции Т_ак. Величина Т_ак определяется следующим выражением:
T_ак= 4τ + 4t₃ (6)
Как видно из выражений (4) (6), длительности периодов следования импульсов телеметрических сигналов радиозонда не зависят от величин опорных напряжений, что является следствием использования при промежуточном преобразовании сопротивления в напряжение и при формировании развертывающего напряжения практически одинаковых опорных напряжений, формируемых на выходах логических элементов 17 и 18. Кроме того, длительности периодов телеметрических сигналов не зависят от величины напряжения смещения операционных усилителей, используемых в измерительной цепи 1, суммирующем усилителе 8, интеграторе 15 и компараторе 16, что является следствием изменения направления развертывающего напряжения и полярности выходного напряжения усилителя-сумматора при формировании двух смежных полупериодов выходного колебания. При этом напряжение смещения операционных усилителей приводит к одинаковым по величине изменениям длительностей этих полупериодов, но противоположным по знаку.

В качестве выходного информационного параметра в радиозонде может быть использован относительный параметр Y, который определяется из величин периодов следования импульсов телеметрических сигналов следующим образом:
Y (7)
При этом аналитическое выражение для функции преобразования сопротивления датчика метеовеличины в выходной информационный параметр Y будет иметь вид:
Y
(8)
Как видно из (8), функция преобразования радиозонда не зависит от постоянной времени интегратора 15 и быстродействия используемых в радиозонде операционных усилителей.

В радиозонде обеспечивается меньшая величина погрешности преобразования сопротивления датчика, возникающая из-за неидентичности (по величине и знаку) температурных коэффициентов сопротивления образцовых резисторов.

Таким образом, в предлагаемом радиозонде существенно снижены требования к параметрам элементов за счет исключения влияния на функцию преобразования напряжения смещения и быстродействия операционных усилителей, параметров времязадающей цепи интегратора, а также опорных напряжений, используемых для преобразования сопротивления в частотный сигнал. Кроме того, в радиозонде обеспечивается высокоточное преобразование сопротивления датчика и высокая чувствительность (крутизна) характеристики преобразования при малом измерительном токе датчика.

Формула изобретения

АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЗОНД, содержащий радиопередатчик, блок управления канальными интервалами времени, интегратор, компаратор и измерительную цепь, содержащую двухпозиционный переключатель, операционный усилитель и два параллельно соединенных резистивных делителя, первый из которых включает последовательно соединенные резистивный датчик метеовеличины и образцовый резистор, а второй делитель включает два последовательно соединенных образцовых резистора, при этом средние точки резистивных делителей раздельно подключены к входам двухпозиционного переключателя, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенного выходом к точке соединения резистивного датчика метеовеличины с крайней точкой второго резистивного делителя, управляющий вход двухпозиционного переключателя соединен с первым выходом блока управления канальными интервалами времени, отличающийся тем, что в него введены резистивный сумматор, суммирующий усилитель, первый одновходовый и второй двухвходовый логические элементы, при этом к первому и второму входам компаратора раздельно подключены выходы резистивного сумматора и суммирующего усилителя, а выход компаратора через первый логический элемент подключен к одному из входов второго логического элемента, объединенному с входами радиопередатчика, интегратора и одним из входов резистивного сумматора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, первый вход суммирующего усилителя соединен с выходом операционного усилителя измерительной цепи, другой вход второго логического элемента подключен к второму выходу блока управления канальными интервалами времени, а выход второго логического элемента соединен с вторым входом суммирующего усилителя, объединенным с точкой соединения образцовых резисторов первого и второго резистивных делителей измерительной цепи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3