Оптический измеритель параметров метели
Владельцы патента RU 2775374:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к метеорологическим устройствам и может быть использовано для определения параметров метели и типа метели. Сущность: оптический измеритель параметров метели содержит оптические системы, каждая из которых включает в себя источник (1-1, 1-2, 1-3) оптического излучения и приемник (2-1, 2-2, 2-3) оптического излучения. Каждый из приемников оптического излучения (2-1, 2-2, 2-3) содержит светочувствительный элемент, формирователь сигналов, порт ввода-вывода и блок сбора данных. Оптические системы формируют три плоские измерительные области. Одна измерительная область имеет горизонтальную ориентацию и предназначена для регистрации вертикально падающих частиц снеговых осадков. Две другие измерительные области имеют вертикальную ориентацию и предназначены для регистрации частиц при горизонтальном снегопереносе. Измерительные области разнесены в пространстве так, что они не пересекаются. При этом вертикальные области размещены в ортогональных плоскостях. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 2 ил.
Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано для измерения параметров метели при решении задач физики атмосферы, агрометеорологии и проектировании транспортной инфраструктуры.
Известны традиционные измерители параметров метели (метелемеры), такие как метелемер Кузнецова (Кузмин, П.П. Формирование снежного покрова и методы определения снегозапасов. - Гидрометеорологическая издательство, Л, - 1959. - С. 33), метелемер Долгова, «паровой» метелемер и метелемер типа ВО (Воденяпинской станции) (Дюнин, А.К. Механика метелей. - Новосибирск: Издательство Сибирского отделения Академии наук СССР, 1963. - С. 121-125), включают в конструкцию горизонтальную приемную воронку с калиброванным входным отверстием и цилиндр для хранения собранного снега до момента измерения. К основным недостаткам традиционных метелемеров можно отнести: отсутствие возможности автоматизации измерений, недостаточную надежность в следствии наличия подвижных элементов и отсутствие возможности регистрации вертикально падающих частиц.
Известны также метелемеры, основанные на принципе центробежных циклонов, применяющихся в технических средствах пылеулавливания, Л.С. Говоруха и Е.Ф. Кирличев предложили метелемер «Циклон» (А.с. №145369 СССР, 1962, МПК 6 G01W 1/14). К недостаткам данного прибора также можно отнести подвижные элементы конструкции и отсутствие возможности регистрации вертикально падающих частиц.
Известны измерители метели, основанные на применении оптических методов регистрации. Шмидт Р.А. разработал счетчик частиц снега SPC, который является одним из первых электронно-оптических устройств измерения потока частиц снега (Schmidt, R.A. 1977 A system that measures blowing snow. U.S. Dep.Agric. For. Serv. Res. Pap. RM 194.). К недостаткам данного устройства можно отнести высокую погрешность измерений из-за отсутствия возможности учета измерения направления ветра в снегопереносе при неподвижной измерительной области.
В качестве прототипа выбрано устройство измерения горизонтального переноса снега (патент RU №163385, МПК G01W 1/14, МПК G01N 21/59, 2016).
Устройство состоит из оптической системы, включающей излучатель и приемник, которые формируют измерительную область, формирователя сигналов, включающего фильтр и логарифмический усилитель, необходимый для выделения и формирования сигнала, пропорционального мгновенному значению массовой концентрации снега в контролируемом объеме, порта ввода-вывода сигналов, модуляционного источника питания излучателя, телескопической штанги для изменения высоты расположения над поверхностью земли, корпуса, для размещения автономного источника питания, подшипникового узла для крепления корпуса к штанге, флюгарки, обеспечивающей ориентирование корпуса в снеговоздушном потоке.
Вышеописанное устройство имеет недостатки, такие как движущиеся элементы, необходимые для ориентирования измерительной области в снеговоздушном потоке и отсутствие возможности регистрации вертикально падающих частиц снеговых осадков.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего неподвижность элементов конструкции измерителя метели и увеличение количества измеряемых параметров как для регистрации частиц при горизонтальном снегопереоносе, так и для регистрации вертикально падающих частиц снеговых осадков, что позволит различать тип метели (поземок или низовая/общая метель).
Поставленная задача решается тем, что, Оптический измеритель параметров метели, содержит оптические системы, каждая из которых формирует измерительную область и включает в себя источник оптического излучения и приемник, содержащий светочувствительный элемент, формирователь сигналов, порт ввода-вывода и блок сбора данных.
Предлагаемое техническое решение, в отличие от прототипа, имеет три оптические системы, формирующие плоские измерительные области.
Одна измерительная область имеет горизонтальную ориентацию и предназначена для регистрации вертикально падающих частиц снеговых осадков, а две другие вертикальную для регистрации частиц при горизонтальном снегопереносе. При этом измерительные области разнесены в пространстве так, что они не пересекаются, а вертикальные области размещены в ортогональных плоскостях.
Данное техническое решение позволит увеличить надежность работы устройства за счет отсутствия подвижных элементов конструкции, а также определять вид метели (поземок или низовая/общая метель).
На фиг. 1 изображена схема взаимного расположения измерительных областей оптического измерителя параметров метели.
На фиг. 2 - схема работы оптического измерителя параметров метели.
Устройство содержит (фиг. 1) три одинаковые оптические системы, которые состоят из источников излучения (1-1, 1-2, 1-3) и приемников (2-1, 2-2, 2-3). Оптическое излучение от источников попадают на приемники, формируя измерительные области. Измерительные области разнесены в пространстве, так чтобы они не пересекались.
Устройство работает следующим образом (фиг. 2). Если в измерительных областях нет частиц осадков, оптическое излучение от источников (1-1, 1-2, 1-3) беспрепятственно проходит до приемников (2-1, 2-2, 2-3) и регистрируются светочувствительными элементами (2-1-1, 2-2-1, 2-3-1). Когда появляется частица и пересекает измерительную область, происходит изменение освещенности соответствующего светочувствительного элемента. Со светочувствительных элементов данные об изменении освещенности поступают на формирователи сигналов (2-1-2, 2-2-2, 2-3-2), а затем в блоки обработки и вычисления (2-1-3, 2-2-3, 2-3-3). В блоках обработки и вычисления размеры частиц определяются по изменению освещенности, а скорость частиц определяется, исходя из времени, которое требуется им для того, чтобы пройти через измерительную область. Блок сбора данных (3) получает вычисленные значения параметров частиц метели со всех трех приемников (1-1, 1-2, 1-3) посредством системы команд и передает их на персональный компьютер или сервер (4) для дальнейшей обработки полученных данных.
Определение типа метели (поземок или низовая/общая метель) осуществляется по зарегистрированным в горизонтальной измерительной области частицам. В случае их регистрации тип метели будет определен как низовая или общая, иначе - поземок.
Оптический измеритель параметров метели, содержащий оптические системы, каждая из которых формирует измерительную область и включает в себя источник оптического излучения и приемник, содержащий светочувствительный элемент, формирователь сигналов, порт ввода-вывода и блок сбора данных, отличающийся тем, что оптические системы измерителя формируют три плоские измерительные области, при этом одна измерительная область имеет горизонтальную ориентацию для регистрации вертикально падающих частиц снеговых осадков, а две другие - вертикальную для регистрации частиц при горизонтальном снегопереносе, при этом измерительные области разнесены в пространстве так, что они не пересекаются, а вертикальные области размещены в ортогональных плоскостях.
