Автономна комплексна метеостанція

Реферат: Автономна комплексна метеостанція містить корпус, щоглу, датчик напрямку вітру, датчики вологості та температури повітря, вимірювач дощових опадів, акумулятор, блок електричного живлення від сонячної батареї, центральний керуючий пристрій з таймером і аналогоцифровим перетворювачем на вході та радіопередавач. Обладнана тахометром, вітроелектричним зарядним блоком, та датчиком рівня снігового покриву, тахометр розташований з можливістю вимірювання швидкості обертів рухомих елементів вітроелектричного зарядного блока, а датчик опадів дощу виконано прямоточним. UA 98817 U (54) АВТОНОМНА КОМПЛЕКСНА МЕТЕОСТАНЦІЯ UA 98817 U UA 98817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем контролю параметрів навколишнього середовища в галузі гідрометеорології, екології та сільського господарства для забезпечення контактними та безконтактними вимірюваннями структур спостереження та дистанційного зондування, в тому числі - і в важких погодних умовах, наприклад, в Антарктиді. Відомі станції, наприклад, MDS111 (проспект фірми SEBA HYDROMETRIE, Німеччина), яка містить в собі щоглу, на котрій розташована частина вимірювальних приладів (температура та вологість повітря, швидкість та напрямок вітру, атмосферний тиск та сонячна радіація). Вимірювач кількості опадів розташований окремо від щогли на метеомайданчику. Збір інформації з датчиків контролю здійснюється спостерігачем з свого приміщення за допомогою ПЕВМ. Подальша передача інформації до центру здійснюється через того ж спостерігача різними засобами. Недоліком відомих приладів вимірювання кількості опадів є обов'язкова участь людини в вимірюванні накопичених в мірному посуді опадів. Для зручного доступу спостерігача до цього посуду, вимірювач встановлюється на рівні 1-го метра над поверхнею землі, що є порушенням вимог ВМТ до розташування усіх вимірювальних датчиків, окрім вимірювачів швидкості та напрямку вітру, на висоті 2-х метрів над поверхнею землі [1]. Відома переносна комплексна метеостанція, яка містить корпус-термостат, що містить всередині вторинний блок живлення, мікропроцесор, вимірювальну апаратуру, передавач інформації та метеодатчики (напрямку та швидкості вітру, вологості та температури повітря, вимірювач опадів). Вимірювач дощових опадів виконано у формі відтарованої ємкості, що складається з конічної горловини та зливної пробки. До нижньої донної частини конічної горловини підведено зливний трубопровід з електромагнітним клапаном. Нижче рівня вхідного отвору зливного трубопроводу вмонтований датчик перепадів тиску. Переносна метеостанція отримує живлення від електричної мережі 220 В ("Комплексная переносная метеостанция", патент РФ №2251158, МПК G01W1/02, дата публікації 27.04.2005) [2]. Недолік такої метеостанції полягає в тому, що вона може встановлюватися тільки поблизу стандартної електричної мережі змінного струму 220 В. В зимовий період для функціонування цієї станції потрібні додаткові затрати електроенергії для підігріву окремих елементів метеостанції та внутрішнього простору її корпусу. Така метеостанція не може вимірювати рівень снігового покрову в зимовий період. Відома також польова метеостанція МЕТОС компанії Pessl Instruments (www.http://metos.at), що містить мікропроцесор, вимірювальну апаратуру, передавач інформації та метеорологічні датчики (напрямку та швидкості вітру, вологості та температури повітря, а також вимірювач дощових опадів). Датчик вимірювання кількості опадів дощу містить мірні перекидні кювети, електромагнітний лічильник спорожнених кювет, виконаних у формі коромислових ваг. Крім того, метеостанція містить акумулятор, та малогабаритну сонячну батарею для підзарядки акумулятора. Відома станція дозволяє працювати в польових умовах автономно в теплий період року протягом до 9-й місяців. В осінньо-зимовий період така метеостанція працює з перебоями, оскільки при наявності морозів ємкість акумулятора різко знижується, а потужність сонячної батареї в зимовий період недостатня для живлення електронних компонентів станції. Недоліком метеостанції є наявність механічних рухомих частин вимірювача кількості опадів дощу призводить до поломок при замерзанні в ньому води. Така метеостанція не може вимірювати рівень снігового покрову та потребує періодичної заміни акумулятора в холодний період року [3]. Найближчим аналогом є система для гідрометеорологічних спостережень, яка містить корпус, щоглу, датчики контролю гідрометеорологічних параметрів (напрямку та швидкості вітру, вологості та температури повітря, а також вимірювач дощових опадів), контейнер з блоком електроживлення та центральним керуючим пристроєм з аналого-цифровим перетворювачем на вході, та обладнана блоком прецизійних вимірів аналогових сигналів, включеним між виходами вимірювальних датчиків та центральним керуючим пристроєм, блоком узгодження, включеним між виходом центрального керуючого пристрою та радіопередавачем. Блок прецизійних вимірювань обладнаний мультиплексором, входи якого з'єднані з вимірювальними датчиками (температури повітря, барометричного тиску, сонячної радіації, дощових опадів, швидкості вітру, напрямку вітру), інструментальним підсилювачем, вхід якого з'єднаний з одним із виходів мультиплексора, а вихід з одним із входів аналого-цифрового перетворювача, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом мультиплексора, причому аналого-цифровий перетворювач виконаний з тестовим корегуванням. Блок узгодження з радіопередавачем обладнаний блоком буферної пам'яті, до складу якої входить блок оперативної пам'яті та блок постійної пам'яті, кварцовим генератором вибраної частоти, при цьому входи буферної пам'яті з'єднані з виходами центрального керуючого пристрою і 1 UA 98817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 генератора кварцової частоти, а вихід з радіопередавачем, та вимикачами, через які генератор кварцової частоти та радіопередавач з'єднані з джерелом електроживлення. Датчик вимірювання дощових опадів, містить приймальну конусну горловину, мірну кювету, лічильник спорожнених кювет з пристроєм для розрахунків кількості опадів, а кювета додатково обладнана вимірювачем рівня води в ній та барометричним клапаном для її спорожнення при досягненні заданого значення рівня (патент України № 33908, МПК G08C19/28, G07C11/00, дата публікації 15.02.2001, Бюл. № 1, 2001 р.) [4]. Відома система гідрометеорологічних спостережень отримує живлення від електромережі 220В, що обмежує функціональні можливості встановлення метеостанції на значній відстані від електропідстанцій (наприклад, безпосередньо посеред поля.). Датчик вимірювання кількості дощових опадів, що містить приймальну конусну горловину, мірну кювету із пластику, лічильник спорожнених кювет з пристроєм для розрахунків кількості опадів та барометричним клапаном, має суттєві недоліки. По-перше такий датчик містить рухомі механічні частини, які з часом втрачають свої механічні та конструктивні властивості та не можуть правильно функціонувати в холодний період року. По-друге - при наявності довготривалих та інтенсивних опадів такий датчик переповнюється і дощова вода потрапляє за межі приймальної горловини, що суттєво зменшує точність вимірювання. В зимовий період така система працює з перебоями, оскільки при наявності морозів вода в мірній кюветі замерзає, що призводить до розтріскування та виходу із ладу пластикових механічних частин. Така метеостанція не може вимірювати рівень снігового покрову та потребує періодичного огляду в холодний період року. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення надійності функціонування метеорологічної станції, та забезпечення довготривалого автономного функціонування в зимовий період навіть на Крайній Півночі та в Антарктиді. Поставлена задача вирішується тим, що метеостанція містить корпус, щоглу, датчики напрямку вітру, датчики вологості та температури повітря, вимірювач дощових опадів, акумулятор, блок електричного живлення від сонячної батареї, центральний керуючий пристрій з таймером і аналого-цифровим перетворювачем на вході та радіопередавач, згідно з корисною моделлю, обладнана тахометром, вітроелектричним зарядним блоком, та датчиком рівня снігового покриву, тахометр розташований з можливістю вимірювання швидкості обертів рухомих елементів вітроелектричного зарядного блока, а датчик опадів дощу виконано прямоточним, Згідно з корисною моделлю, вітроелектричний зарядний блок містить вітротурбіну з вертикальною віссю обертання, електричний генератор, обгінну муфту, та маховик, встановлений на вхідному валу електричного генератора і кінематично з'єднаний через обгінну муфту з валом вітротурбіни. Згідно з корисною моделлю, вимірювач опадів дощу виконано у формі конусної прямоточної воронки, в якій виконано щонайменше два додаткових зливних отвори, що переходять в окремі зливні трубопроводи, в нижній частині кожного зі зливних трубопроводів встановлені датчики перепадів тиску, причому додаткові зливні отвори розташовані на різній висоті. Згідно з корисною моделлю, додаткові зливні отвори розташовані в середній частині (ho = Н/2) прямоточної воронки та в її верхній частині (ho = Н), де Н - висота конуса прямоточної воронки. Згідно з корисною моделлю, вимірювач дощу оснащено обчислювальним блоком, до входів якого підключені датчики перепадів тиску. Згідно з корисною моделлю, що як датчик рівня снігового покриву застосовано лазерний далекомір. Згідно з корисною моделлю, як радіопередавач застосовано GSM-модем сотового зв'язку. Підвищення надійності метеорологічної станції та забезпечення довготривалого автономного функціонування в зимовий період гарантується вітроелектричним зарядним блоком, який дозволяє підзаряджати акумулятор вночі та взимку, коли ефективність сонячної батареї падає в декілька разів, а сила вітру, навпаки, збільшуються. Особливістю є відсутність механічних рухомих частин датчика кількості опадів та наявність декількох зливних отворів, що дає можливість безперервного вимірювання навіть у випадку затяжних злив. Оптичний датчик снігового покриву дає можливість розширити функціональні можливості метеостанції та застосувати її навіть на Крайній Півночі та в Антарктиді. На фіг. 1 зображена конструкція автономної метеостанції. На фіг. 2 представлена електрична блок-схема метеостанції на фіг. 1. На фіг. 3 зображено конструкцію прямоточного вимірювача дощових опадів. Метеостанція (фіг. 1) містить корпус 1, щоглу 2, датчик напрямку вітру 3, датчики вологості 4 та температури повітря 5, вимірювач дощових опадів 6, акумулятор 7, блок електричного 2 UA 98817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 живлення 8 від сонячної батареї 9, центральний керуючий пристрій (мікроконтролер) 10 з аналого-цифровим перетворювачем на вході, радіопередавач 11 з антеною 12. Метеостанція обладнана тахометром 13, вітроелектричним зарядним блоком 14, та датчиком рівня снігового покриву 15, тахометр 13 розташований на щоглі 2 з можливістю вимірювання швидкості обертів рухомих елементів вітроелектричного зарядного блока 14. Вітроелектричний зарядний блок 14 містить вітротурбіну 16 з вертикальною віссю 17 обертання, електричний генератор 18, обгінну муфту 19, та маховик 20, встановлений на вхідному валу 21 електричного генератора 18 і кінематично з'єднаний через обгінну муфту 19 з валом 22 вітротурбіни 16. Тахометр 13 розташований на щоглі 2 з можливістю вимірювання швидкості обертів вітротурбіни 16 вітроелектричного зарядного блока 14. Вимірювач опадів дощу 6 (фіг. 3) виконано у формі прямоточної воронки 23 з відкритим зливним трубопроводом 24. В конусному корпусі воронки 23 виконано щонайменше два додаткових зливних отвори 25, 26, що переходять в окремі зливні трубопроводи 27, 28. В нижній частині кожного зливного трубопроводу встановлені датчики перепадів тиску 29, 30, 31, виходи яких підключені до входів обчислювального блока 32, вихід якого 33 являється виходом вимірювача опадів 6 (фіг. 2). При цьому додаткові зливні отвори 25 та 26 розташовані на різній висоті ho, а саме в середній частині (ho = Н/2) воронки 23 та в її верхній частині (ho = Н), де Н висота конуса прямоточної воронки 23. В якості датчика рівня 15 снігового покриву 34 (фіг. 1) застосовано лазерний далекомір, промінь якого 35 направлений вертикально вниз. В окремих випадках, при наявності ретрансляторів сотового зв'язку в якості радіопередавача 11 може застосовуватися GSM-модем сотового зв'язку. Метеосистема встановлюється за допомогою щогли 2 на висоті 2-х метрів над рівнем твердого ґрунту 36 і працює наступним чином. Після підключення метеостанції до акумулятора 7 починає працювати таймер 37 (фіг. 2) центрального керуючого пристрою 10, в якості якого використано мікроконтролер AT90CAN64, до кладу якого входять наступні вузли: таймер 37 з тактовою частотою до 10 МГц, внутрісистемно-програмована флеш-пам'ять 38 розміром 64 Кбайт, 2 Кбайтне ЕСППЗУ 39 (на 100 тисяч циклів запису/стирания), 4 Кбайтне внутрішнє статичне ОЗУ та додаткове 64 Кбайтне ОЗУ 40, програмний сторожовий таймер 41 із вбудованим генератором 42; 8-розрядний синхронізований таймер-лічильник 43, 10-розрядний лічильник зовнішніх подій 44, генератор 32 кГц 45 для роботи годинника реального часу, 8-канальний 10-розрядный АЦП 46 послідовного наближення з мультиплексором, аналоговий компаратор 47, байт-орієнтований двохдротовий послідовний інтерфейс 48, два програмованих послідовних інтерфейси 49, 50, 7 байторієнтованих портів вводу-виводу дискретної інформації 51,…57, схема початкової установки 58 при включенні живлення, арифметико-логічний пристрій 59, регістри загального призначення 60, регістр поточного стану 61, вказівник стека 62, регістр керування 63, блок переривань 64, схема синхронізації та керування 65, програмний лічильник 66, регістр інструкції 67, дешифратор інструкцій 68, JTAG - контролер 69, вбудований відладчик 70, схема сканування меж 71, програмувальна логіка 72, 8-розрядна шина даних 73, регістри напрямку даних 74,…, 80, схеми узгодження виходів портів 81,…87. За сигналами таймера 37 мікроконтролера 10 (фіг. 2) починається послідовне опитування вимірювальних датчиків напрямку вітру 3, датчика вологості 4, температури повітря 5, вимірювача дощових опадів 6, напруги акумулятор 7, напруги блока електричного живлення 8 сонячної батареї 9, тахометра 13, напруги вітроелектричного зарядного блока 14 та датчика рівня снігового покриву 15. Аналогові сигнали з датчиків вологості 4, температури повітря 5, напруги акумулятора 7, напруги блока електричного живлення 8 сонячної батареї 9, напруги вітроелектричного зарядного блока 14 комутуються за допомогою аналогового мультиплексора 81 та подаються безпосередньо на АЦП 46. При цьому застосовано вбудований 10-разрядний АЦП мікроконтролера, який калібрується методом тестового корегування, для чого вимірюється напруга джерела опорної напруги входу WCC. Після тестового корегування АЦП 46 скореговані сигнали піддають математично-логічній обробці в блоках центрального процесора 66, 38, 67, 68, 60, 50, 61 і в цифровому вигляді фізичних величин вимірювальних параметрів зберігаються в ОЗУ 40. Дискретні сигнали у байтному форматі від вимірювача дощових опадів 6, поступають на паралельні входи схем узгодження 84, а датчика рівня снігового покриву 15 поступають на входи схем 85 одного з портів вводу-виводу 55 і за допомогою блоків центрального процесора 66, 38, 67, 68, 60, 50, 61 переводяться у відповідні фізичні величини та зберігаються у відповідних комірках ОЗУ 40. Імпульсні сигнали виходу тахометра 13 та виходу датчика напрямку вітру 3 поступають на окремі входи порта вводу-виводу 52 через схеми узгодження 82. Опитування датчиків проводиться багаторазово і за заданий термін часу відбувається усереднення кожного 3 UA 98817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 параметра, визначається їх середнє значення і, при потребі, визначаються максимальне і мінімальне їх значення або тенденція до змін. По команді центрального процесора 66, 38, 67, 68, 60, 50, 61 або в моменти захвату приймачем 11 радіоапаратури викличного сигналу (наприклад, супутника), формується команда обміну через послідовний порт вводу-виводу 50 УСАПП для передачі повідомлення. Початок повідомлення зчитується з ППЗУ 39, де записані постійні складові радіопередачі: преамбула, синхрослово, адресне слово та EOT - кінцівка передачі, а потім з ОЗУ 40 даних вимірювань. Зчитана інформація надходить через порт ввода-вивода 56 та схеми узгодження 86 до радіопередавача 11, де відбувається відносно-фазова модуляція сигналу (ВФМ) для передачі за допомогою антени 12 радіоканалом. Після передачі чергового повідомлення процес вимірювань повторюється. Вітроенергетичний зарядний блок 14 функціонує наступним чином. При швидкості вітру в межах від 0.1 м/с до 20 м/с його тиск на окремі лопаті вітротурбіни 16 призводить до її обертання, яка валом 22 з'єднана з обгінною муфтою 19. Обертання вітротурбіни 16 передається через обгінну муфту 19 до маховика 20 і далі - до вхідного валу 21 генератора 18 у тому разі, коли швидкість обертання вітротурбіни 16 є більшою за швидкість обертання маховика 20. На виході генератора 18 утворюється постійна напруга, величина якої залежить прямо пропорційно від швидкості обертання маховика 20. Після розгону маховика 20 до відповідної кутової швидкості зменшення швидкості обертів вітротурбіни 16 (що є можливим наслідком зменшення швидкості вітру) не впливає на швидкість обертання маховика 20 завдяки наявності обгінної муфти 19. Вимірювач кількості дощових опадів 6 (фіг. 3) працює наступним чином. Під час невеликого дощу вода накопичується в нижній частині воронки 23 і далі поступає тільки через основний зливний трубопровід 24, утворюючи відповідний рівень води відносно датчика перепадів тиску 29. Тиск стовпчика води в зливному трубопроводі 24 вимірюється датчиком 29 і обчислювальний блок 32 визначає його висоту h. Перепад тиску датчика 29 дозволяє в обчислювальному блоці визначити швидкість течії води через трубопровід 24. На основі цих двох параметрів та тривалості часу витікання води визначаються витрати води та кількість опадів. Якщо інтенсивність опадів зростає, і вони переходять в помірні, то у цьому випадку швидкість накопичення води в датчику 6 збільшується. Одночасно збільшується її рівень в конусі воронки 23 і вода починає виливатися через отвір 25 і середній зливний трубопровід 27. Датчик перепадів тиску 30 в нижній частині зливного трубопроводу 27 надає інформацію про висоту стовпа води та швидкість витікання через зливний трубопровід 27. На основі цих двох параметрів та тривалості часу витікання води визначаються витрати води, а загальна кількість опадів є сумою об'єму води, що витікає через основний 24 та середній 25 зливні трубопроводи. При цьому сумарний переріз зливних трубопроводів 24, 25 є більшим ніж одного зливного трубопроводу 24, що зменшує швидкість зростання рівня води в воронці вимірювача води 6 і не дозволяє переливатися дощовій воді через край воронки 23 при помірних дощових опадах. Якщо дощові опади переходять в затяжні інтенсивні, то в цьому випадку рівень води може доходити до верхнього зливного отвору 26 воронки 23. В результаті цього надлишкова дощова вода надходить в третій зливний трубопровід 28 і тисне на датчик перепадів 31. Датчик перепадів тиску 31 в нижній частині зливного трубопроводу 28 надає інформацію про висоту стовпа води та швидкість витікання. На основі цих двох параметрів та тривалості часу витікання води визначаються витрати води через верхній зливний трубопровід 26, а загальна кількість опадів є сумою об'єму води, що витікає через основний 24, середній 27 та верхній 28 зливні трубопроводи. При цьому сумарний переріз зливних трубопроводів 24, 27, 28 є, як мінімум, втричі більшим ніж переріз одного основного зливного трубопроводу 24, що додатково зменшує швидкість зростання рівня води в лійці вимірювача води і не дозволяє переливатися дощовій воді через край воронки 23 навіть при значних дощових опадах. Після закінчення дощових опадів вода безперешкодно виливається із зливних трубопроводів 24, 27, 28 і не застоюється в них. Джерела інформації: 1. Проспект фірми SEBA HYDROMETRIE, Німеччина за 2013 рік. 2. Патент РФ № 2251158, МПК G01W1/02, дата публікації 27.04.2005). 3. Польова метеостанція МЕТОС компанії Pessl Instruments (www.http://metos.at). 4. Патент України № 33908, МПК G08C19/28, G07C11/00, дата публікації 15.02.2001, Бюл. № 1, 2001 р. 4 UA 98817 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Автономна комплексна метеостанція, що містить корпус, щоглу, датчик напрямку вітру, датчики вологості та температури повітря, вимірювач дощових опадів, акумулятор, блок електричного живлення від сонячної батареї, центральний керуючий пристрій з таймером і аналого-цифровим перетворювачем на вході та радіопередавач, яка відрізняється тим, що обладнана тахометром, вітроелектричним зарядним блоком, та датчиком рівня снігового покриву, тахометр розташований з можливістю вимірювання швидкості обертів рухомих елементів вітроелектричного зарядного блока, а датчик опадів дощу виконано прямоточним. 2. Метеостанція за п. 1, яка відрізняється тим, що вітроелектричний зарядний блок містить вітротурбіну з вертикальною віссю обертання, електричний генератор, обгінну муфту, та маховик, встановлений на вхідному валу електричного генератора і кінематично з'єднаний через обгінну муфту з валом вітротурбіни. 3. Метеостанція за п. 1, яка відрізняється тим, що вимірювач дощових опадів виконано у формі конусної прямоточної воронки, в якій виконано щонайменше два додаткових зливних отвори, що переходять в окремі зливні трубопроводи, в нижній частині кожного зі зливних трубопроводів встановлені датчики перепадів тиску, причому додаткові зливні отвори розташовані на різній висоті. 4. Метеостанція за пп. 1 та 3, яка відрізняється тим, що додаткові зливні отвори розташовані в середній частині (ho=H/2) прямоточної воронки та в її верхній частині (ho=Н), де Н - висота конуса прямоточної воронки. 5. Метеостанція за пп. 1 та 3, яка відрізняється тим, що вимірювач дощових опадів оснащено обчислювальним блоком, до входів якого підключені датчики перепадів тиску. 6. Метеостанція за п. 1, яка відрізняється тим, що як датчик рівня снігового покриву застосовано лазерний далекомір. 7. Метеостанція за п. 1, яка відрізняється тим, що як радіопередавач застосовано GSM-модем сотового зв'язку. 5 UA 98817 U 6 UA 98817 U 7 UA 98817 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8