Измерительный преобразователь аэрологического радиозонда
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологических радиозондах для измерения вертикального профиля метеовеличин в атмосфере, таких, как температуры, влажности, давления. Изобретение может быть также использовано в устройствах преобразования информации резистивных и емкостных датчиков. Технической задачей изобретения является повышение точности измерения метеовеличин. Для решения поставленной задачи предлагается измерительный преобразователь аэрологического радиозонда, содержащий датчики влажности и температуры, отличающийся тем, что содержит масштабирующий усилитель, суммирующий усилитель, интегратор, компаратор, инвертор, три аналоговых ключа и схемой управления, причем датчик влажности соединен через масштабирующий усилитель с сигнальным входом компаратора, с опорным входом которого соединен выход интегратора, а выход компаратора через инвертор соединен с выходами первого, второго и третьего аналоговых ключей и является выходом преобразователя, а управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходами схемы управления, датчик температуры соединен с входами второго и третьего аналоговых ключей.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологических радиозондах для измерения вертикального профиля метеовеличин в атмосфере, таких, как температуры, влажности, давления. Изобретение может быть также использовано в устройствах преобразования информации резистивных и емкостных датчиков.
Аэрологический радиозонд производит преобразование нескольких метеовеличин в радиотелеметрические сигналы и передает их по радиоканалу на наземную станцию сопровождения. С начала использования радиозондов стоит проблема измерения метеовеличин в широком диапазоне воздействующих факторов: температуры от минус 80°С до плюс 50°С, влажности до 100%, высотности до 30-40 км, солнечной радиации, космического излучения и т.д. Наибольшие трудности возникают при измерении влажности, особенно на больших высотах из-за низкого содержания водяного пара в атмосфере при больших отрицательных температурах. При этом к измерительным устройствам предъявляются высокие требования по точности измерения, массогабаритным характеристикам (МГХ), энергопотреблению и стоимости. Требования эти довольно противоречивы.
В настоящее время в качестве датчиков метеовеличин широко используются чувствительные элементы резистивного и емкостного типов.
Известны радиозонды фирмы VAISALA, в которых используются емкостные чувствительные элементы для преобразования температуры, влажности и атмосферного давления в частотные телеметрические сигналы (см. ж. VAISALA News, №136 1995 г.,стр.9-12, Финляндия, Хельсинки.
Недостатком измерительных устройств этих радиозондов являются схемная сложность, т.к. требуется высокая чувствительность измерения емкости (например, при изменении температуры на 100°К емкость датчика изменяется всего на 7-8 пФ).
Известны радиозонды с низкоомными датчиками температуры (см. Сб. Методы и средства зондирования атмосферы. Труды центральной аэрологической обсерватории, 1990 г. Вып.168, стр.56-69).
Недостатком этих устройств является также схемная сложность в виду того, что нужно учитывать сопротивление проводов, которое изменяется в зависимости от окружающей температуры и приводит к возникновению термоЭДС в цепи преобразования. Кроме того низкоомные датчики температуры требуют подгонки измерительной части (например, резистивного моста) до 0,01 Ома, что в условиях даже единичного производства трудоемко.
Известен серийный радиозонд МРЗ-3А (см. Н.А.Зайцева «Аэрология», г.Ленинград Гидрометеоиздат, 1990 г. стр.187-191), в котором происходит преобразование сопротивлений двух резистивных датчиков (температуры и влажности воздуха) в частотные сигналы. В данном радиозонде каждый из резистивных датчиков и нулевая шина через соответствующие аналоговые ключи последовательно соединены с опорным резистором времязадающей RC-цепи импульсного генератора, выход которого соединен с модулирующим входом радиопередатчика.
Недостатком данного устройства являются довольно высокие погрешности, особенно при измерении влажности.
Известен преобразователь по патенту РФ №2162239, который содержит первый и второй измерительные резистивные датчики температуры, измерительный мостовой тензодатчик давления, трехвходовой суммирующий усилитель, компаратор, двухвходовой суммирующий усилитель, инвертор на логическом элементе НЕ, первый и второй опорные датчики на логических элементах
2И-НЕ, схему управления радиозонда и приемопередатчик, выход которого является выходом аэрологического зонда - ПРОТОТИП.
Недостатком данного преобразователя является недостаточная точность преобразования, т.к. в настоящее время резко повысились требования к точности измерения метеовеличин в силу того, что они непосредственно влияют на: достоверность предсказаний погоды, регулярность и безопасность полетов самолетов, запуск ракет и космических аппаратов и т.д.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения метеовеличин.
Для решения поставленной задачи предлагается измерительный преобразователь аэрологического радиозонда, содержащий датчики влажности и температуры, отличающийся тем, что содержит масштабирующий усилитель, суммирующий усилитель, интегратор, компаратор, инвертор, три аналоговых ключа и схемой управления, причем датчик влажности соединен через масштабирующий усилитель с сигнальным входом компаратора, с опорным входом которого соединен выход интегратора, а выход компаратора через инвертор соединен с выходами первого, второго и третьего аналоговых ключей и является выходом преобразователя, а управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходами схемы управления, датчик температуры соединен с входами второго и третьего аналоговых ключей.
На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя, на фиг.2 и 3 эпюры напряжений на неинвертирующем входе компаратора 3 при преобразовании датчиков температуры и влажности соответственно.
На фиг.1 показано: 1 - масштабирующий линейный усилитель - фильтр низких частот; 2 - суммирующий усилитель; 3 - компаратор; 4 - инвертор; 5 - операционный усилитель-интегратор; 6 - схема управления ключами; 7 - датчик влажности с выходом в виде напряжения; 8 - R4 - резистивный датчик температуры;
9 - K1, K2, К3 - аналоговые ключи; 10 - R1, R2 - резисторы обратной связи; 11 - R3 - опорный резистор; 12 - С1 - конденсатор интегратора.
На фиг.2 показано: Uвх 3 - напряжение на неинвертирующем входе компаратара 3 в режиме измерения сопротивления датчика температуры; U вых 4 - напряжение на выходе инвертора 4; Е k - напряжение питания; Uкомп - напряжение сравнения компаратора.
На фиг.3 показано: U вх 3 - напряжение на неинвертирующем входе компаратора 3 в режиме измерения напряжения датчика влажности; U вых 4 - напряжение на выходе инвертора 4; Е k - напряжение питания; Пкомп - напряжение сравнения компаратора.
Структурная схема имеет следующие соединения. Выход датчика влажности 7 и выход первого аналогового ключа K1 соединены с входом суммирующего усилителя 2, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора 3, с опорным входом которого соединен выход операционного усилителя-интегратора 5 через резисторы обратной связи R1-R2; выход компаратора 3 через инвертор 4 соединен с выходами первого, второго и третьего аналоговых ключей K1, K2 и К3 соответственно и является выходом преобразователя; выходы схемы управления ключами К1-КЗ 6 соединены с их управляющими входами; резистивный датчик температуры R4 соединен с входом третьего аналогового ключа К3, конденсатор С1 операционного усилителя-интегратора 5 включен в цепь его отрицательной обратной связи.
Преобразователь может быть выполнен на следующих ЭРЭ и ИМС.
Операционные усилители 1, 2, 4 и 5 на ИМС 140 УД7, см. Справочник «Интегральные микросхемы», Радиософт, М, 2001, т.1, стр.411; аналоговые ключи К1-КЗ на ИМС 590 КН2, см. Справочник «Интегральные микросхемы», Радиософт, М, 2001, т.6, стр.440; компаратор 3 на ИМС 554 СА3, см. Справочник «Интегральные микросхемы», Радиософт, М, 2001, т.5, стр.116; схема управления ключами 6 на ИМС 561 ИК3, см. Справочник «Интегральные микросхемы», Радиософт,
М, 2001, т.5, стр.198; емкостной датчик влажности 1 может быть выполнен на сорбционном чувствительном элементе, например HIH-4000; температурный датчик может быть выполнен на терморезисторе типа ММТ-1; резисторы R1-R3 любого типа, например С2-33, с отклонением не ниже 1%; конденсатор С1 типа КМ-5.
Датчик напряжения 7 преобразует метеорологические параметры атмосферы (например, относительную влажность воздуха в диапазоне от 0 до 100%) в выходной сигнал в виде постоянного напряжения от 0В до 5В. Например, датчик влажности типа HIH-4000.
Датчик сопротивления преобразует метеорологические параметры атмосферы (например, температуру воздуха в диапазоне от плюс 50°С до минус 90°С) в в виде сопротивления изменяющегося от сотен Ом до сотен килом. Например, резистивный датчик в виде термосопротивления типа ММТ-1.
Измерительный преобразователь (ИП) осуществляет преобразование выходных параметров датчиков (напряжения или сопротивления) метеорологических параметров атмосферы в телеметрический сигнал - периодическую последовательность видеоимпульсов. Информация содержится в периоде следования видеоимпульсов. Для повышения точности преобразования ИП используется режим калибровки с помощью высокоточного опорного резистора R3, который включается при замыкании контактов ключа К2.
Измерительный преобразователь работает следующим образом. Схема управления ключами 7 задает режим работы ИП. При замыкании контактов ключа К2 (контакты ключей К1 и К3 разомкнуты) включается опорный режим работы ИП - преобразование сопротивления высокоточного опорного резистора R3 в период телеметрических импульсов Топ. с помощью измерительного генератора образованного хронирующей цепью R3C1, операционным усилителем 5, резистивным делителем R1, R2, компаратором 3, инвертором 4. Осциллограммы напряжений в основных точках схемы в этом режиме работы изображены на
фиг.2. На выходе инвертора 4 формируется последовательность видеоимпульсов опорной частоты, период которой Топ пропорционален R3C1, см. фиг2,(а). Этот режим работы позволяет учесть нестабильность параметров ИП.
При замыкании контактов ключа К3 (контакты ключей К1 и К2 разомкнуты) включается режим преобразования сопротивления резистивного датчика температуры R4 в период телеметрических импульсов Ттемп. Следует отметить, что амплитуда импульсов на инвертирующем входе компаратора 3 остается постоянной. От изменения величины сопротивления резистивного датчика R4 пропорционально изменяется период видеоимпульсов Т темп. Выходным телеметрическим параметром аэрологического радиозонда по каналу температуры является отношение периодов телеметрических сигналов:
При замыкании контактов ключа К1 и контактов ключа К2 (контакты К3 разомкнуты) включается режим преобразования напряжения датчика влажности 7 в период телеметрических импульсов T влажн. В этом случае, напряжение с выхода датчика влажности 7 преобразуется в масштабирующем линейном усилителе 1 в заданный диапазон напряжений на первом входе суммирующего усилителя 2, при котором обеспечивается требуемый диапазон изменения периода телеметрического сигнала канала влажности Твлажн . На второй вход суммирующего усилителя 2 подается импульсный опорный сигнал с выхода инвертора 4. На выходе суммирующего усилителя 2 формируются импульсы, амплитуда которых пропорциональна напряжению датчика влажности, поступающему на первый вход суммирующего усилителя 2. Далее эти импульсы подаются на инвертирующий вход компаратора 3. Поскольку они оказываются в противофазе с импульсами, поступающими с выхода инвертора 4 через делитель R1, R2 на неинвертирующий вход компаратора 3, то период импульсов на выходе компаратора
3, будет изменяться пропорционально напряжению на выходе датчика 7. Выходным телеметрическим параметром аэрологического радиозонда по каналу влажности также является отношение периодов телеметрических сигналов:
Наземная радиолокационная станция принимает последовательность телеметрических сигналов радиозонда, распознает и измеряет периоды опорного, температурного и влажностного режимов работы ИП, определяет по калибровочным характеристикам датчиков измеренное значение метеорологических параметров атмосферы.
Измерительный преобразователь аэрологического радиозонда, содержащий датчики влажности и температуры, отличающийся тем, что содержит масштабирующий усилитель, суммирующий усилитель, интегратор, компаратор, инвертор, три аналоговых ключа со схемой управления, причем датчик влажности соединен через масштабирующий усилитель с сигнальным входом компаратора, с опорным входом которого соединен выход интегратора, а выход компаратора через инвертор соединен с выходами первого, второго и третьего аналоговых ключей и является выходом преобразователя, а управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходами схемы управления, датчик температуры соединен с входами второго и третьего аналоговых ключей.
