RU77691U1 - ELECTRONIC ATMOSPHERIC SEDIMENT INDICATOR - Google Patents

Abstract

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.The utility model relates to meteorological instrumentation, in particular to indicators of the beginning and end of precipitation, and can be used to record precipitation, both in the liquid and in the solid phase. The proposed electronic indicator of atmospheric precipitation contains a flat measuring surface installed in the direction of precipitation and representing a capacitance formed by two thin-film conductors isolated from each other, located in the same plane on one side of the dielectric plate, and a thermal stabilization system of the flat measuring is placed on the reverse side of the dielectric plate surfaces, controller and resistance, connected in series with the capacitance for formed an RC circuit, wherein the thermal stabilization system comprises a temperature sensor and heating elements; on the basis of the controller, a pulse shaper, an analog comparator, a voltage reference source, a timer, a control system and an output port are implemented. The objective of the utility model is to develop an indicator of precipitation in both the liquid and solid phases. The technical result is an increase in the sensitivity of the primary converter of the indicator of precipitation when working at low temperatures and the ability to quickly respond to the cessation of precipitation. 1 npfi, 1 ill.

Description

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.The utility model relates to meteorological instrumentation, in particular to indicators of the beginning and end of precipitation, and can be used to record precipitation, both in the liquid and in the solid phase.

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.Known [SU 607168, 1976], which describes a precipitation-sensitive element made in the form of a sectioned winding of two insulated conductors forming a distributed capacitance. The appearance of the first pulse characterizes the onset of precipitation, and the absence of pulses in the measuring path indicates the termination of precipitation.

К недостаткам такого устройства можно отнести сложность изготовления секционной обмотки.The disadvantages of such a device include the complexity of manufacturing a sectional winding.

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.A known system [US 3882381, 1975] for detecting a moisture or icing condition of a surface, comprising one capacitive transducer located on one side of a flat insulating board and directed towards precipitation and a second capacitive transducer located on the reverse side, as well as means for signaling on transducers and means for indicating the state of the surface.

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.The indicator is designed to be embedded in the road surface and gives indications only about the state of the road surface, is it wet or icing and does not allow receiving data about the current precipitation, for example, about the beginning of the fall of individual snowflakes, due to the lack of reliable contact with a sensitive surface. The presence of a second reference tank complicates the design of the measurement system.

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.The closest is an electronic sensing element (sensor) for measuring the amount of precipitation by assessing the effects of single drops on the surface [EP 0360892, 1990], in which the sensing element is made in the form of a flat measuring surface on which two conductors are isolated from each other (spaced electrodes ) lying in the same plane and forming a container.

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.The disadvantages of the closest analogue include the lack of heating of the measuring surface, in connection with which it is not sensitive to precipitation in the form of snow and is not able to quickly respond to their cessation.

Задача полезной модели - разработка индикатора атмосферных осадков, находящихся как в жидкой, так и в твердой фазе.The objective of the utility model is to develop an indicator of precipitation in both the liquid and solid phases.

Технический результат - повышение чувствительности первичного преобразователя при работе при низких температурах.The technical result is an increase in the sensitivity of the primary Converter when working at low temperatures.

Дополнительный технический результат - способность быстро реагировать на прекращение осадков.An additional technical result is the ability to respond quickly to precipitation.

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.The problem is solved in that, like the well-known proposed electronic precipitation indicator, it contains a flat measuring surface that is installed in the direction of precipitation and is a capacitance formed by two thin-film conductors isolated from each other, located in the same plane on one side of the dielectric plate.

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.New is that on the reverse side there is a thermal stabilization system for a flat measuring surface, a controller and active resistance connected in series with the capacitance to form an RC circuit.

Кроме того, система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы.In addition, the thermal stabilization system includes a temperature sensor and heating elements.

Целесообразно, чтобы нагревательные элементы были равномерно размещены по всей поверхности диэлектрической пластины.It is advisable that the heating elements are evenly distributed over the entire surface of the dielectric plate.

Кроме того, на базе контроллера реализованы формирователь импульсов, аналоговый компаратор, источник опорного напряжения, таймер, система управления и выходной порт.In addition, a pulse shaper, an analog comparator, a voltage reference source, a timer, a control system and an output port are implemented on the basis of the controller.

Кроме того, проводники изолированы от окружающей среды диэлектрическим покрытием.In addition, the conductors are insulated from the environment by a dielectric coating.

Предлагаемый электронный индикатор осадков может применяться в метеорологии в качестве сигнализирующего устройства о наличии каких либо атмосферных осадков (дождь, снег, град и т.д.).The proposed electronic precipitation indicator can be used in meteorology as a signaling device about the presence of any precipitation (rain, snow, hail, etc.).

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».In the present invention, the so-called stray capacitance between two conductors is used as the primary sensor, the conductors being electrically isolated from each other and from the environment (Fig. 1). Drops of water make changes in the dielectric properties of the insulator between the plates of the "capacitor", while the capacitance changes. The control system monitors when the capacity reaches a certain level and in this case generates a “precipitation” signal.

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 ε материала The magnitude of the electric capacitance formed by two insulated conductors largely depends on the area of their overlap and the nature of the dielectric between them. The larger the overlap area of the two conductors and the smaller the distance between them, the higher the capacity of this system. To a large extent, the dielectric constant ε of the material affects the capacity of the system

диэлектрика, а ε воды выше ε 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.dielectric, and ε of water above ε of air is approximately 80 times. This property is used in this rainfall indicator. The primary transducer is a plate with a flat pattern on it in the form of two electrically isolated electrodes (conductors) having the maximum possible common boundary. On top of the plate is covered with a thin layer of varnish or other insulating coating. When dry, the electrical capacity of the plate is minimal. When a drop hits the surface, part of the lines of the electric field are closed through water, and, therefore, the total electric capacitance increases.

Емкость включается в цепь с активным сопротивлением R. Полученная RC цепь имеет постоянную времени τ=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.The capacitance is included in the circuit with active resistance R. The resulting RC circuit has a time constant τ = R · C, which depends on the value of the capacitance (the resistance remains unchanged). Thus, when it hits the measuring surface, the drop increases the capacitance, and, consequently, the time constant of the circuit in which this capacitance is included.

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.The control system, implemented on the basis of the controller, constantly maintains a positive temperature (2-3 ° C) of the measuring surface, in case of precipitation in the form of snow. To this end, heating elements and a temperature sensor connected to the controller are located on the back of the plate. When precipitation is present, additional heating is turned on (up to 15-20 ° C). This makes it possible to evaporate residual moisture from the surface and accelerate the operation of the indicator in the event that precipitation stops.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.The utility model is illustrated with graphic materials.

На фиг.1 приведена сторона диэлектрической пластины, на которой сформирована емкость, обратная ее сторона и блок-схема контроллера.Figure 1 shows the side of the dielectric plate on which the capacitance is formed, its reverse side and the block diagram of the controller.

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.The indicator contains (Fig. 1) a dielectric plate 1, on one side of which thin-film conductors 2 are applied, lying in the same plane and forming a capacitance C _ind . On the reverse side of the plate, a resistor R 3, a temperature sensor 4, heating elements 5 and a controller 6 are mounted, including a pulse shaper 7, an analog comparator 8, a reference voltage source 9, a timer 10, a control system 11, and an output port 12. Conductors 2, forming a capacitance, and an active resistance - resistor 3 form an RC circuit, which is connected to a control system 11 through a pulse former 7 and a comparator 8 through a timer 10, as shown in Fig 1. The control system is connected to an external port 12 and additionally devices (not shown). An external power source (not shown) is connected through a sealed input in conjunction with the output signal wire.

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.As the heating elements 5, voltage-controlled voltage stabilizers with a load connected to them and evenly distributed on the circuit board so that the heat generated on the stabilizer and the load go mainly to the dielectric plate can be used.

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.On a double-sided printed circuit board (dielectric plate made of foil-coated fiberglass) 1, conductors 2 were made in the form of a pattern of thin copper coating with the maximum possible overlap area and minimum distance between them.

В качестве диэлектрического покрытия был использован водостойкий лак, устойчивый к перепадам температур и к прямым солнечным лучам (например, Urethan 71 (Kontakt Chemie)).As a dielectric coating, a waterproof varnish was used, resistant to temperature extremes and direct sunlight (for example, Urethan 71 (Kontakt Chemie)).

Датчик температуры может быть использован любой, чтобы можно было подключить непосредственно к контроллеру без дополнительных навесных элементов, например, TCN75, DS18b20.The temperature sensor can be used by anyone so that it can be connected directly to the controller without additional attachments, for example, TCN75, DS18b20.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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 τ RC-цепи.The capacitance C _ind formed by two insulated conductors (electrodes) 2 has an initial value of C ₀ when the dielectric plate 1 is dry. Moisture on the surface of the plate changes the dielectric properties of the medium, and, therefore, the total capacity increases. Initially, the control system 11 through the pulse shaper 7 holds the voltage at C _ind in a low state, and the capacitance itself is discharged. Then, the control system 11 sets the start of a single measurement, including a timer and starting the pulse shaper. The high voltage level U _FI installed, charges C _ind through the resistor R 3. The voltage at C _ind increases exponentially, and the growth rate depends on the time constant τ of the RC circuit.

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.The voltage from the capacitance C _{ind is} directly supplied to the comparator 8, which will operate when U _Sind becomes higher than the reference voltage from the reference voltage 9. The operation of the comparator 8 stops the timer 10 and notifies the control system 11 of the result. The larger the sensor capacity (moisture penetration), the longer it charges to a threshold voltage and the longer the timer counts. The control system 11 compares the readings of the timer of each unit measurement and when the threshold is exceeded, a certain number of times in a row gives a precipitation signal, and vice versa, through the output port (VP) 12 to an external actuator.

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.The system of thermal stabilization of the sensitive surface, including the temperature sensor 4 and heating elements 5 are also controlled by the controller 6, which maintains the positive temperature of the measuring surface (dielectric plate) 1 not lower than 2-3 ° C, and in the case of precipitation detection includes additional heating (up to 10 -15 ° C), in order to quickly drain the measuring surface in the event that precipitation stops and thereby accelerate the response process.

Claims (5)

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.1. An electronic indicator of atmospheric precipitation, comprising a flat measuring surface mounted in the direction of precipitation and representing a capacitance formed by two thin-film conductors isolated from each other, located in the same plane on one side of the dielectric plate, characterized in that the plates are located on the back side thermal stabilization system of a flat measuring surface, controller and active resistance connected in series with a capacitance to form RC c pi. 2. Электронный индикатор по п.1, отличающийся тем, что система термостабилизации содержит датчик температуры и нагревательные элементы.2. The electronic indicator according to claim 1, characterized in that the thermal stabilization system comprises a temperature sensor and heating elements. 3. Электронный индикатор по п.2, отличающийся тем, что нагревательные элементы равномерно размещены по всей поверхности диэлектрической пластины.3. The electronic indicator according to claim 2, characterized in that the heating elements are evenly distributed over the entire surface of the dielectric plate. 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.4. The electronic indicator according to claim 1, characterized in that on the basis of the controller a pulse shaper, an analog comparator, a reference voltage source, a timer, a control system and an output port are implemented. 5. Электронный индикатор по п.1, отличающийся тем, что проводники изолированы от окружающей среды диэлектрическим покрытием.

5. The electronic indicator according to claim 1, characterized in that the conductors are insulated from the environment by a dielectric coating.