Электронный индикатор атмосферных осадков

Полезная модель относится к метеорологическому приборостроению, в частности к индикаторам начала и окончания выпадения осадков, и может быть использована для фиксации осадков, как в жидкой, так и в твердой фазе. Предлагаемый электронный индикатор атмосферных осадков содержит плоскую измерительную поверхность, устанавливаемую в направлении осадков и представляющую собой емкость, образованную двумя изолированными друг от друга тонкопленочными проводниками, расположенными в одной плоскости на одной из сторон диэлектрической пластины, а на обратной стороне диэлектрической пластины размещены система термостабилизации плоской измерительной поверхности, контроллер и активное сопротивление, включенное последовательно с емкостью для образования RC цепи, при этом система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы; на базе контроллера реализованы формирователь импульсов, аналоговый компаратор, источник опорного напряжения, таймер, система управления и выходной порт. Задача полезной модели - разработка индикатора атмосферных осадков, находящихся как в жидкой, так и в твердой фазе. Технический результат - повышение чувствительности первичного преобразователя индикатора атмосферных осадков при работе при низких температурах и способности быстро реагировать на прекращение осадков.

1 н.п.ф.и., 1 ил.

Полезная модель относится к метеорологическому приборостроению, в частности к индикаторам начала и окончания выпадения осадков, и может быть использована для фиксации осадков, как в жидкой, так и в твердой фазе.

Известен [SU 607168, 1976], в котором описан чувствительный к осадкам элемент, выполненный в виде секционированной обмотки из двух изолированных проводников, образующих распределенную емкость. Появление первого импульса характеризует начало осадков, а отсутствие импульсов в измерительном тракте - прекращение осадков.

К недостаткам такого устройства можно отнести сложность изготовления секционной обмотки.

Известна система [US 3882381, 1975] для обнаружения состояния влажности или обледенения поверхности, содержащая один емкостной преобразователь, расположенный с одной стороны плоской изоляционной платы и направленный по отношению к осадкам и второй емкостной преобразователь, расположенный с обратной стороны, а также средства для подачи сигналов на преобразователи и средства для индикации состояния поверхности.

Индикатор предназначен для встраивания в поверхность дороги и дает показания только о состоянии поверхности дороги, влажная она или идет обледенение и не позволяет получать данные о текущем выпадении осадков, например, о начале падения отдельных снежинок, из-за отсутствия надежного контакта с чувствительной поверхностью. Наличие второй емкости - опорной усложняет конструкцию системы измерения.

Наиболее близким является электронный чувствительный элемент (датчик) для измерения количества осадков путем оценивания воздействия одиночных капель на поверхность [ЕР 0360892, 1990], в котором чувствительный элемент выполнен в виде плоской измерительной поверхности, на которой расположены два изолированных друг от друга проводника (разнесенные электроды), лежащие в одной плоскости и образующие емкость.

К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести отсутствие подогрева измерительной поверхности, в связи, с чем он не чувствителен к осадкам в виде снега и не способен быстро среагировать на их прекращение.

Задача полезной модели - разработка индикатора атмосферных осадков, находящихся как в жидкой, так и в твердой фазе.

Технический результат - повышение чувствительности первичного преобразователя при работе при низких температурах.

Дополнительный технический результат - способность быстро реагировать на прекращение осадков.

Поставленная задача решается тем, что как и известный предлагаемый электронный индикатор атмосферных осадков содержит плоскую измерительную поверхность, устанавливаемую в направлении осадков и представляющую собой емкость, образованную двумя изолированными друг от друга тонкопленочными проводниками, расположенными в одной плоскости на одной из сторон диэлектрической пластины.

Новым является то, что на обратной стороне размещены система термостабилизации плоской измерительной поверхности, контроллер и активное сопротивление, включенное последовательно с емкостью для образования RC цепи.

Кроме того, система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы.

Целесообразно, чтобы нагревательные элементы были равномерно размещены по всей поверхности диэлектрической пластины.

Кроме того, на базе контроллера реализованы формирователь импульсов, аналоговый компаратор, источник опорного напряжения, таймер, система управления и выходной порт.

Кроме того, проводники изолированы от окружающей среды диэлектрическим покрытием.

Предлагаемый электронный индикатор осадков может применяться в метеорологии в качестве сигнализирующего устройства о наличии каких либо атмосферных осадков (дождь, снег, град и т.д.).

В предлагаемом изобретении в качестве первичного датчика используется так называемая паразитная емкость между двумя проводниками, причем проводники электрически изолированы друг от друга и от окружающей среды (фиг.1). Капли воды вносят изменения в диэлектрические свойства изолятора между обкладками «конденсатора», при этом емкость изменяется. Система управления следит, когда емкость достигнет определенного уровня и в этом случае формирует сигнал «осадки».

Величина электрической емкости, образованной двумя изолированными проводниками во многом зависит от площади их перекрытия и характера диэлектрика между ними. Чем больше площадь перекрытия двух проводников и меньше расстояние между ними, тем более высокой емкостью обладает данная система. В значительной степени на емкость системы влияет диэлектрическая проницаемость материала

диэлектрика, а воды выше воздуха примерно в 80 раз. Это свойство используется в данном индикаторе атмосферных осадков. Первичный преобразователь представляет собой пластину с нанесенным на нее плоским рисунком в виде двух электрически изолированных электродов (проводников), имеющих максимально возможную общую границу. Сверху пластина покрыта тонким слоем лака или другим изоляционным покрытием. В сухом виде электрическая емкость пластины минимальна. При попадании капли на поверхность часть линий электрического поля замыкаются через воду, и, следовательно, суммарная электрическая емкость возрастает.

Емкость включается в цепь с активным сопротивлением R. Полученная RC цепь имеет постоянную времени =R·C, которая зависит от величины емкости (сопротивление остается неизменным). Таким образом, при попадании на измерительную поверхность капля увеличивает емкость, а, следовательно, и постоянную времени цепи, в которую эта емкость включена.

Система управления, реализованная на базе контроллера, постоянно поддерживает положительную температуру (2-3°С) измерительной поверхности, на случай осадков в виде снега. С этой целью на обратной стороне пластины расположены нагревательные элементы и датчик температуры, соединенные с контроллером. Когда осадки присутствуют, включается дополнительный подогрев (до 15-20°С). Это дает возможность испарить остатки влаги с поверхности и ускорить срабатывание индикатора, в случае, когда осадки прекратятся.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 приведена сторона диэлектрической пластины, на которой сформирована емкость, обратная ее сторона и блок-схема контроллера.

Индикатор содержит (фиг.1) диэлектрическую пластину 1, на одну из сторон которой нанесены тонкопленочные проводники 2, лежащие в одной плоскости и образующие емкость С_инд. На обратной стороне пластины смонитрованы резистор R 3, датчик температуры 4, нагревательные элементы 5 и контроллер 6, включающий в себя формирователь импульсов 7, аналоговый компаратор 8, источник опорного напряжения 9, таймер 10, систему управления 11 и выходной порт 12. Проводники 2, образующие емкость, и активное сопротивление - резистор 3 образуют RC цепь, которая через формирователь импульсов 7 и компаратор 8 через таймер 10 подключена к системе управления 11, как показано на фиг 1. Система управления через выходной порт 12 подключается к внешним исполнительным устройствам (не показаны). Источник питания внешний (не показан), подключается через герметичный ввод в связке вместе с выходным сигнальным проводом.

В качестве нагревательных элементов 5 могут быть использованы управляемые с помощью ключа стабилизаторы напряжения с подключенной к ним нагрузкой и равномерно распределенные на плате таким образом, чтобы выделяемое на стабилизаторе и нагрузке тепло уходило преимущественно в диэлектрическую пластину.

На двусторонней печатной плате (диэлектрическая пластина, выполненная из фольгированного стеклотекстолита) 1 были выполнены проводники 2 в виде рисунка из тонкого медного покрытия с максимально возможной площадью перекрытия и минимальным расстоянием между ними.

В качестве диэлектрического покрытия был использован водостойкий лак, устойчивый к перепадам температур и к прямым солнечным лучам (например, Urethan 71 (Kontakt Chemie)).

Датчик температуры может быть использован любой, чтобы можно было подключить непосредственно к контроллеру без дополнительных навесных элементов, например, TCN75, DS18b20.

Устройство работает следующим образом.

Емкость С_инд образованная двумя изолированными друг от друга проводниками (электродами) 2 имеет начальное значение С₀ когда диэлектрическая пластина 1 сухая. Влага на поверхности пластины изменяет диэлектрические свойства среды, и, следовательно, суммарная емкость увеличивается. Изначально система управления 11 через формирователь импульсов 7 удерживает напряжение на С _инд в низком состоянии, а сама емкость разряжена. Затем система управления 11 задает начало единичного измерения, включая таймер и запуская формирователь импульсов. Установленный высокий уровень напряжения U_ФИ, заряжает С _инд через резистор R 3. Напряжение на С _инд растет по экспоненциальному закону, а скорость роста зависит от постоянной времени RC-цепи.

Напряжение с емкости С_инд напрямую подается на компаратор 8, который сработает, когда U _Синд станет выше, чем опорное напряжение с источника опорного напряжения 9. Срабатывание компаратора 8 останавливает таймер 10 и извещает систему управления 11 о готовности результата. Чем больше емкость сенсора (попадание влаги), тем дольше она заряжается до порогового напряжения и тем большее время отсчитывает таймер. Система управления 11 сравнивает показания таймера каждого единичного измерения и при превышении порога определенное число раз подряд выдает сигнал осадки, и наоборот, через выходной порт (ВП) 12 к внешнему исполнительному устройству.

Система термостабилизации чувствительной поверхности, включающая датчик температуры 4 и нагревательные элементы 5 также находятся под управлением контроллера 6, который поддерживает положительную температуру измерительной поверхности (диэлектрической пластины) 1 не ниже 2-3°С, а в случае обнаружения осадков включает дополнительный подогрев (до 10-15°С), чтоб быстрее осушить измерительную поверхность в случае, когда осадки прекратятся и тем самым ускорить процесс срабатывания.

1. Электронный индикатор атмосферных осадков, содержащий плоскую измерительную поверхность, устанавливаемую в направлении осадков и представляющую собой емкость, образованную двумя изолированными друг от друга тонкопленочными проводниками, расположенными в одной плоскости на одной из сторон диэлектрической пластины, отличающийся тем, что на обратной стороне пластины размещены система термостабилизации плоской измерительной поверхности, контроллер и активное сопротивление, включенное последовательно с емкостью для образования RC цепи.

2. Электронный индикатор по п.1, отличающийся тем, что система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы.

3. Электронный индикатор по п.2, отличающийся тем, что нагревательные элементы равномерно размещены по всей поверхности диэлектрической пластины.

4. Электронный индикатор по п.1, отличающийся тем, что на базе контроллера реализованы формирователь импульсов, аналоговый компаратор, источник опорного напряжения, таймер, система управления и выходной порт.

5. Электронный индикатор по п.1, отличающийся тем, что проводники изолированы от окружающей среды диэлектрическим покрытием.