Актинометрический комплекс

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Авторы Кривонощенко Владимир Иванович Стрибук Петр Васильевич Казеев Юрий Иванович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) 1. Актинометрический комплекс, содержащий, как минимум, один актинометр, пиранометр и балансомер, выход каждого из которых электрически соединен с входом регистрирующего устройства, отличающийся тем, что регистрирующее устройство выполнено в виде многоканального электронного блока. 2. Актинометрический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в него введены блок сопряжения и персональный компьютер, при этом выход многоканального электронного блока электрически соединен с входом блока сопряжения, выход которого электрически соединен с входом персонального компьютера. 3. Актинометрический комплекс по п. 2, отличающийся тем, что в него введен датчик солнечного сияния, выход которого электрически соединен с входом блока сопряжения.(56) 1. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам (Руководящий документ). Выпуск 5, часть 1. - М. Росгидромет, 1997 (прототип). 68882010.12.30 Полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии, в частности к актинометрии, и предназначена для проведения наземных актинометрических наблюдений на гидрометеорологических станциях. Актинометрические наблюдения необходимы для изучения радиационного режима,определяющего в значительной степени климат территорий и условия жизнедеятельности человека, а также для решения практических задач в различных отраслях хозяйственной деятельности. Актинометрические наблюдения включают определение взаимосвязанных между собой характеристик солнечного излучения, достигающего земной поверхности, а также теплового излучения естественных земных объектов и атмосферы. Совокупность характеристик солнечного излучения включает прямую солнечную радиацию, рассеянную радиацию, суммарную радиацию, отраженную радиацию, альбедо(отношение отраженной радиации к суммарной радиации, выраженное в долях единицы или в процентах), радиационный баланс, баланс коротковолновой радиации, баланс длинноволновой радиации, а также наличие и продолжительность солнечного сияния. Для определения характеристик солнечного излучения применяются актинометрические приборы актинометры, пиранометры, балансомеры. В этих приборах в качестве чувствительных элементов используют термобатареи разнообразного конструктивного исполнения, с помощью которых энергия солнечной радиации преобразуется в термоЭДС. Для определения наличия и продолжительности солнечного сияния используются датчики солнечного сияния, чувствительными элементами которых являются фотодиоды, преобразующие энергию солнечной радиации в фотоЭДС. Известен актинометрический комплекс для проведения актинометрических наблюдений, содержащий установленные на метеорологической площадке, как минимум, один актинометр, пиранометр и балансомер, выход каждого из которых электрически соединен с входом регистрирующего устройства 1. В известном актинометрическом комплексе в качестве регистрирующих устройств,электрически соединенных с каждым актинометрическим прибором, используют стрелочный гальванометр ГСА-1 для измерения в цепи термобатареи тока, пропорционального определяемым характеристикам солнечного излучения. Внутреннее сопротивление стрелочного гальванометра сравнимо с сопротивлением термобатарей актинометрических приборов (несколько десятков Ом). Сопротивление же изготовленных для этих приборов термобатарей всегда различно, и поэтому каждый гальванометр необходимо перед измерениями калибровать, причем в паре только с одним актинометрическим прибором, а затем проводить измерения только с этой парой гальванометр - актинометрический прибор. Операция калибровки занимает много времени и увеличивает трудоемкость процесса измерения. Кроме того, точность измерений за счет визуального определения положения стрелки на шкале гальванометра очень низкая 1/3 деления шкалы. При измерениях с помощью гальванометра можно определить только мгновенные значения измеряемых величин. Для расчета средних значений за час, за сутки, за месяц обслуживающий персонал метеостанции должен проводить большое количество измерений и вычислений, что сокращает функциональные возможности актинометрического комплекса, увеличивает трудоемкость процесса измерений и обработку результатов за длительные промежутки времени. Гальванометры устанавливают на метеоплощадке рядом с актинометрическими приборами, а при воздействии на них достаточно низких или высоких температур окружающей среды снижается точность и надежность проводимых измерений. Поэтому при обработке результатов измерений показания гальванометров умножают на переводной множитель, соответствующий данной температуре окружающего воздуха, что также увеличивает трудоемкость процесса измерений. 68882010.12.30 Задачей разработки полезной модели является повышение точности измерений актинометрическим комплексом, расширение его функциональных возможностей и уменьшение трудоемкости процесса измерений. Поставленная задача решается тем, что в актинометрическом комплексе, содержащем,как минимум, один актинометр, пиранометр и балансомер, выход каждого из которых электрически соединен с входом регистрирующего устройства, в отличие от прототипа,регистрирующее устройство выполнено в виде многоканального электронного блока. В актинометрический комплекс введены блок сопряжения и персональный компьютер, при этом выход многоканального электронного блока электрически соединен с входом персонального компьютера, а также введен датчик солнечного сияния, выход которого электрически соединен с входом блока сопряжения. Выполнение регистрирующего устройства в виде многоканального электронного блока, входы которого электрически соединены с выходами актинометра, пиранометра и балансомера, обеспечивает непрерывное автоматическое измерение и обработку выходных сигналов актинометрических приборов, а также вывод сигналов на индикатор многоканального электронного блока для визуального наблюдения мгновенных значений актинометрических параметров. Входное сопротивление каналов электронного блока на несколько порядков выше сопротивления термобатарей актинометрических приборов, вследствие чего не требуется операции калибровки каждой пары регистрирующее устройство - актинометрический прибор. Поэтому любой вход многоканального электронного блока можно использовать для измерений с любым актинометрическим прибором. Введение в актинометрический комплекс блока сопряжения обеспечивает прием информации от многоканальных электронных блоков и передачу ее на персональный компьютер. В компьютере в соответствии со специально разработанным программным обеспечением производится автоматическая обработка полученной информации, расчет косвенных дополнительных параметров и запись информации на жесткий диск в архивные каталоги. После обработки информация о проведенных измерениях и расчетных параметрах выводится на монитор компьютера в виде отдельных таблиц и графиков. Все это уменьшает трудоемкость процесса измерений актинометрическим комплексом, расширяет его функциональные возможности. Введение в актинометрический комплекс датчика солнечного сияния обеспечивает непрерывное получение информации о наличии и продолжительности солнечного сияния на сети гидрометеорологических наблюдений, что имеет особенное значение при проведении исследований в условиях арктического климата. Термин наличие солнечного сияния означает экспериментально установленную величину прямой солнечной радиации, равную или превышающую пороговый уровень 120 Вт/м 2, а продолжительность солнечного сияния - это интервалы времени, в течение которых величина прямой солнечной радиации равна или более 120 Вт/м 2. Наличие датчика солнечного сияния в составе актинометрического комплекса существенно увеличивает объем получаемой информации и, следовательно, расширяет его функциональные возможности. На чертеже изображена блок-схема предлагаемого актинометрического комплекса. В состав предлагаемого актинометрического комплекса входят три пиранометра 1, 2 и 3, актинометр 4, балансомер 5, выход каждого из которых электрически соединен с отдельными входами двух многоканальных электронных блоков 6 и 7. Так как входные цепи каждого канала многоканальных электронных блоков 6 и 7 совершенно идентичны, любой актинометрический прибор может быть электрически соединен с любым входом электронных блоков. Выходы многоканальных электронных блоков 6 и 7 электрически соединены с входами блока сопряжения 8. 3 68882010.12.30 Актинометрический комплекс содержит также датчик солнечного сияния 9, выход которого электрически соединен с отдельным входом блока сопряжения 8. Выход блока сопряжения 8 электрически соединен с входом персонального компьютера 10. Многоканальные электронные блоки 6 и 7 имеют плату питания, содержащую трансформатор 36/12 , выпрямители, стабилизатор 5 . Термостат, размещенный внутри электронных блоков 6 и 7, поддерживает в них постоянную температуру до 25 С, поэтому температура окружающей среды не влияет на надежность и точность проводимых измерений. Каждый канал многоканальных электронных блоков 6 и 7 включает в себя плату измерителя и плату индикации. Плата измерителя содержит аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, микроконтроллер, модем и интерфейс 485. Плата индикации содержит сдвиговый регистр со светодиодным индикатором. В состав блока сопряжения входят плата защиты, трансформатор, плата стабилизаторов и контроллер. Плата защиты состоит из разрядников, конденсаторов, дросселей и варисторов. Плата стабилизаторов состоит из выпрямительных мостов и стабилизаторов напряжения. Контроллер включает в себя модемы, программируемый асинхронный элемент связи, микропроцессор, формирователи импульсов, интерфейс 232. Программное обеспечение компьютера, предназначенное для работы с актинометрическим комплексом, состоит из программы , устанавливаемой на сервере, и программ, 16. и 16 Программное обеспечение совместимо с 2000 и. Программное обеспечениепредставляет собой систему управления базой данных. Программа 16. предназначена для чтения результатов измерения, записи результатов в базу данных, очистки результатов измерений, записи поправок при проверке датчиков и синхронизации встроенных часов в изделии. Программа 16. обеспечивает просмотр результатов измерений за выбранный период времени. Актинометрический комплекс работает следующим образом. Актинометрический комплекс, в состав которого входят актинометрические приборы,устанавливается на метеоплощадке гидрометеорологической станции. Многоканальные электронные блоки также устанавливают на метеоплощадке в непосредственной близости от актинометрических приборов. Блок сопряжения и персональный компьютер размещают в помещении, где находится оператор, на расстоянии нескольких десятков или сотен метров от метеоплощадки. Термобатареи, входящие в конструкцию трех пиранометров 1, 2 и 3, актинометра 4,балансомера 5, генерируют термонапряжение, пропорциональное величинам поступающих на них различных видов солнечной радиации. Фотодиоды, входящие в конструкцию датчика солнечного сияния, также преобразуют энергию солнечной радиации в электрический сигнал. Термонапряжение с термобатарей пиранометра 1, актинометра 4 и балансомера 5 подводится к отдельным входам многоканального электронного блока 6, а термонапряжение с термобатарей пиранометров 2 и 3 подводится к отдельным входам многоканального электронного блока 7. В каждом канале электронных блоков 6 и 7 аналоговый сигнал с этих термобатарей поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, преобразуется в цифровую форму, обрабатывается микроконтроллером и затем выводится на светодиодный индикатор, на котором отображаются только мгновенные значения выходных сигналов, одновременно с помощью модема или интерфейса 485 с выхода многоканальных электронных блоков 6 и 7 данные обработанного сигнала передаются на отдельные входы блока сопряжения. На вход блока сопряжения поступает также сигнал непосредственно с датчика солнечного сияния. Электронная схема, входящая в состав датчика, с помощью своего цен 4 68882010.12.30 трального процессорного устройства (ЦПУ), выполненного на основе микросхем 8051310, осуществляет преобразование аналоговых сигналов от всех фотодиодов датчика солнечного сияния в цифровые значения и определяет максимальное значение, соответствующее уровню прямой солнечной радиации. Затем сравнивает это значение с пороговым значением, равным 120 Вт/м 2, и отправляет на блок сопряжения полученное логическое значение с периодичностью 1 раз в секунду в виде посылок в кодах . Для передачи информации используется интерфейс 485 или модем 23. Сигналы с многоканальных электронных блоков и датчика солнечного сияния поступают непосредственно на модемы контроллера блока сопряжения. Работу контроллера обеспечивают платы защиты, трансформатор и плата стабилизаторов. Плата защиты предназначена для подавления импульсов напряжения, возникающих на линии питания блока сопряжения под воздействием неблагоприятных факторов (грозовые разряды, искрение, перенапряжение, импульсные помехи и т.д.). Трансформатор преобразует питающее напряжение 230 В 50 Гц, поступившее на него с платы защиты, в ряд напряжений,необходимых для работы блока. Плата стабилизаторов, на которую поступает напряжение с вторичных обмоток трансформатора, обеспечивает постоянство рабочих напряжений 5 и 12 . Модемы контроллера, входящего в состав блока сопряжения, выполнены по идентичным схемам. На них по линиям связи через трансформатор поступают сигналы с выходов многоканальных электронных блоков и датчика солнечного сияния. Для усиления входных сигналов используется усилитель мощности. Сигналы ТТЛ-уровня после каждого модема поступают на программируемый асинхронный элемент связи, осуществляющий последовательно-параллельное преобразование цифровой информации, работающий в режиме . Работу асинхронного элемента связи анализирует и контролирует микропроцессор. Формирователи сигналов предназначены для преобразования биполярного сигнала в сигнал ТТЛ-уровня. После преобразования сигналов в блоке сопряжения информация передается по интерфейсу 232 на СОМ-порт персонального компьютера. Специально разработанное программное обеспечение персонального компьютера обеспечивает измерение в автоматическом режиме актинометрическим комплексом следующих основных параметров актинометрических величин прямая солнечная радиация суммарная солнечная радиация отраженная солнечная радиация рассеянная солнечная радиация радиационный баланс без прямой солнечной радиации наличие солнечного сияния, то есть прямой солнечной радиации, превышающей номинальный пороговый уровень 120 Вт/м 2. Измеренное актинометрическими приборами, входящими в состав актинометрического комплекса, выходное напряжение (в мВ) при обработке с помощью разработанного программного обеспечения пересчитывается в значения энергетической освещенности,выраженные в единицах физической величины (кВт/м 2). Результаты выполненных измерений представляются в виде мгновенных значений, усредненных за 1 минуту, либо сумм радиации (часовых, суточных, месячных). Помимо измеряемых величин актинометрический комплекс обеспечивает также с помощью программного обеспечения автоматическое определение следующих расчетных величин прямая суммарная радиация на горизонтальную поверхность полный радиационный баланс длинноволновой радиационный баланс альбедо подстилающей поверхности. 68882010.12.30 Кроме того, оператор персонального компьютера имеет возможность ручного ввода метеорологических параметров с конкретными значениями метеовеличин, например скорости ветра, температуры воздуха, коэффициента преобразования актинометрических приборов, которые потом используются в расчетах актинометрических характеристик. Информация об измерениях и расчетных данных выводится на монитор персонального компьютера в виде отдельных графиков или таблиц. При этом предусмотрена возможность вызова и просмотра информации за истекшие сутки текущего месяца и за истекшие месяцы благодаря возможности ведения календаря и счета времени, а также корректировки счета времени. Продолжительность хранения информации составляет 1 год. Таким образом, предлагаемый актинометрический комплекс позволяет существенно повысить точность измерений актинометрических характеристик, расширить его функциональные возможности и уменьшить трудоемкость процесса измерений за счет проведения всех измерений в автоматическом режиме. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6