Исследование и разработка измерителей температуры системы мониторинга параметров атмосферы аэрологическими радиозондами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Боровков Александр Сергеевич

• Боровков Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Боровков Александр Сергеевич

Введение

Глава 1. Современное состояние отечественной системы мониторинга температуры атмосферы аэрологическими радиозондами

1.1 Радиозондирование атмосферы

1.2 Аэрологические радиозонды отечественной системы мониторинга параметров атмосферы

1.3 Зарубежные аэрологические радиозонды

1.4 Погрешность результата измерения температуры радиозондированием

1.5 Погрешность определения координат изобарических поверхностей при радиозондировании атмосферы

1.6 Математические модели чувствительных элементов измерителей температуры

1.7 Итоги первой главы

Глава 2. Исследование погрешностей измерителей температуры аэрологических радиозондов на основе моделирования

2.1 Модель измерителя температуры аналогового радиозонда

2.1.1 Исследование погрешности градуировки измерителя температуры аналогового радиозонда

2.1.2 Результаты исследования

2.2 Модели цифровых измерителей температуры аэрологического радиозонда

2.3 Сравнение аналоговых и цифровых измерителей температуры на основе моделирования

2.4 Итоги второй главы

Глава 3. Методика градуировки измерителей температуры аэрологических радиозондов

3.1 Погрешность градуировки при применении аналитической функции преобразования

3.2 Методика градуировки цифровых измерителей температуры

3.3 Программа для ЭВМ «Градуировка цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов»

3.4 Итоги третьей главы

Глава 4. Экспериментальное исследование измерителя температуры цифрового аэрологического радиозонда

4.1 Исследование метрологических характеристик измерителя температуры цифрового аэрологического радиозонда

4.1.1 Определение диапазона значений измерителя температуры

4.1.2 Определение цены единицы наименьшего разряда

4.1.3 Определение случайной погрешности измерителя температуры

4.1.4 Определение систематической погрешности измерителя температуры

4.1.5 Определение пределов допускаемой абсолютной погрешности измерителя температуры

4.2 Исследование влияния замены элементов схемы измерителя температуры и изменения напряжения питания на результат измерения

4.3 Способ устранения радиационной составляющей погрешности результата измерения температуры атмосферы

4.4 Испытания экспериментальных образцов цифрового радиозонда

4.5 Итоги четвертой главы

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка измерителей температуры системы мониторинга параметров атмосферы аэрологическими радиозондами»

ВВЕДЕНИЕ

Сведения о текущем состоянии атмосферы необходимы для изучения и предсказания климатических процессов. Проблема изменения климата в настоящее время наиболее актуальна. В связи с этим большое значение приобретает исследование верхних слоев атмосферы с целью расширения и уточнения знаний о метеорологических величинах, таких как: температура, влажность, давление.

Для составления прогнозов погоды метеорологические службы используют данные о состоянии атмосферы и моделирование. Состояние атмосферы определяют на основе результатов воздушных, наземных, морских и спутниковых наблюдений. Данные, полученные радиозондированием атмосферы [1], являются основными.

Результаты измерений параметров атмосферы контактным методом в слое толщиной до 30 - 40 км получают с помощью радиозондов (РЗ). РЗ -средство измерений (СИ), в состав которого входят датчики метеорологических величин и радиопередатчик. Он поднимается посредством шара с оболочкой из латекса, наполненной водородом или гелием. Запускают РЗ во всем мире два раза в день в 00:00 и 12:00 по мировому времени. Результаты измерений, полученные радиозондированием, представляют собой вертикальные профили метеорологических величин, значения которых наносят на карты барической топографии и аэрограммы.

Радиозондирование осуществляют посредством информационно-измерительных систем, которыми реализуется определение положения РЗ в пространстве. За рубежом радиозондирование проводится с использованием спутниковой системы типа GPS [2]. На аэрологической сети России применяются системы мониторинга параметров атмосферы, основанные на методе определения высоты РЗ с помощью радиолокатора. Радиолокационная станция (РЛС) является основным техническим средством аэрологических станций. Она предназначена для сопровождения и определения положения РЗ в

пространстве. По полученным данным определяют высоту РЗ и направление

4

ветра. Также РЛС служит для приема и регистрации радиосигналов, содержащих значения метеорологических величин на текущей высоте.

С момента появления радиозондирования как метода исследования параметров атмосферы совершенствуется оборудование и методики измерений метеорологических величин, исследуются погрешности измерений. Известны методы определения случайных погрешностей измерений параметров атмосферы, такие как: метод тройного контроля [3], метод спаренных выпусков и анализа структурных функций [4]. Такие методы с успехом применялись при международных сличениях РЗ. Были исследованы математические модели взаимодействия чувствительных элементов измерителей метеорологических величин с окружающей средой. Также исследовались погрешности измерения температуры атмосферы, обусловленные влиянием солнечной радиации. Проведена оценка случайных и систематических составляющих погрешностей измерений температуры и влажности при радиозондировании [3 - 8].

Измерение температуры атмосферы Га - сложный процесс, так как измерить ее непосредственно, как измеряют другие физические величины, такие как длина или масса, невозможно [9]. Поэтому измерение Га при

радиозондировании атмосферы проводят наблюдением за изменением сопротивления термометрического тела - термистора, который при соприкосновении с объектом измерения - атмосферой, вступает с ней в тепловое равновесие.

С конца 1970-х годов до настоящего времени различные организации разработали более десяти типов РЗ с аналоговыми измерителями температуры (ИТ). В этих ИТ применяются разные измерительные схемы, но одни и те же аппроксимирующая функция преобразования (ФП) и методика градуировки. В таких ИТ используют в качестве термометрического тела или датчика термистор, у которого зависимость между величиной сопротивления и температурой нелинейна в рабочем диапазоне температур (от -80 до +50 °С).

Оценка точности измерения метеорологических величин методом

радиозондирования атмосферы важна в метеорологии для прогнозирования

5

погоды. В большинстве отечественных метеорологических радиолокаторов и в выпускаемых серийно и эксплуатируемых РЗ, образующих в совокупности информационно-измерительную систему (радиолокационный комплекс), реализованы принципы и методы, разработанные в период с 1965 по 1985 г. При разработке использовали соответствующие тому времени элементную базу и технические решения. В настоящее время точность измерений на аэрологической сети России при мониторинге атмосферы по основным метеорологическим величинам (температуре, влажности) и координатам в 2 - 3 раза ниже уровня, обозначенного в документах Всемирной метеорологической организации (ВМО). Наиболее жесткие требования предъявляют к точности измерений вертикальных профилей температуры. Исходя из вышеизложенного, улучшение качества и эффективности работы таких систем является актуальным. Для достижения современного уровня необходимо совершенствовать средства и методы измерений, проводить исследования измерителей метеорологических величин с применением новой элементной базы, точной измерительной техники и быстрой обработки больших массивов данных экспериментальных исследований.

Одним из наиболее перспективных приемов является применение в системах радиозондирования цифрового РЗ [10]. Он содержит микроконтроллер с цифровым ИТ, который имеет в своем составе аналого-цифровой преобразователь. Применение принципов цифровой передачи и новых методик градуировки ИТ позволяет собирать, получать, хранить, обрабатывать, передавать без искажений результаты измерений и уменьшить погрешность измерения температуры атмосферы ДГа . Это является существенным преимуществом перед аналоговыми РЗ, применяемыми до сих пор на аэрологической сети России.

Совершенствование аэрологических наблюдений требует развития новых современных методов определения положения РЗ в пространстве. Одним из таких методов является навигационный с использованием спутниковых систем типа GPS или ГЛОНАСС.

С целью повышения эффективности работы радиолокационных комплексов и точности измерения метеорологических величин предложено применение цифровых РЗ с соответствующими ИТ в их составе.

Радиозонды, создаваемые на основе современной элементной базы и программного обеспечения, в силу потенциально более высоких скоростей получения, передачи, обработки измерительной информации, позволяют повысить точность измерения вертикальных профилей температуры более чем в два раза. Это возможно при условии применения новой техники, новых принципов, методов, алгоритмов, физических и математических моделей измерения. Исследование экспериментальных образцов РЗ должно осуществляться с применением новых методик градуировки, обработки результатов, внесения поправок и методов, позволяющих исключить влияние солнечной радиации на результат.

Объектом диссертационного исследования являются измерители температуры аэрологических радиозондов.

Предметом диссертационного исследования являются модели, методики градуировки и погрешности измерителей температуры аэрологических радиозондов.

Целью настоящей работы является разработка моделей, методик градуировки и уменьшение погрешностей измерителей температуры, применяемых в составе радиозонда. Применение данных моделей, конструкций и методик градуировки должно обеспечить уменьшение погрешностей измерений вертикальных профилей температуры.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

- анализ моделей измерения аналоговых и цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов;

- исследование методом моделирования погрешностей аналоговых и цифровых измерителей температуры;

- разработка методик и устройства для градуировки цифровых измерителей температуры;

- экспериментальное исследование и отработка методик градуировки цифровых измерителей температуры при проектировании и разработке конструкции градуировочной установки;

- экспериментальное исследование погрешностей экспериментальных образцов цифровых измерителей температуры;

- разработка рекомендаций по применению исследованных моделей и методик градуировки при внедрении разработанных измерителей в производство.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан, исследован и реализован новый метод оценки погрешности аналоговых измерителей температуры аэрологических радиозондов на основе анализа их градуировочной характеристики вместо метода с использованием анализа функции преобразования.

2. Разработана методика табличной градуировки цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов, с применением которой погрешность градуировки составляет ± 0,15 °С, что в 3 раза меньше по сравнению с методикой, принятой для аналоговых радиозондов.

3. Впервые разработана оригинальная конструкция датчика температуры аэрологического радиозонда с экраном, которая позволяет уменьшить погрешность измерения температуры атмосферы за счет устранения влияния солнечной радиации. Научная новизна подтверждается патентом на полезную модель RU 146316 Ш «Датчик температуры аэрологического радиозонда».

В диссертации использованы аналитические и экспериментальные методы исследований. Аналитические методы позволили получить результат в виде математических зависимостей, устанавливающих связь между выходными и входными параметрами разрабатываемых моделей. Проверка результатов, полученных при моделировании, осуществлялась путем сравнения с результатами экспериментов, полученными при испытаниях разработанных

экспериментальных образцов цифровых измерителей температуры.

8

Достоверность результатов математического моделирования и теоретических исследований и выводов подтверждается результатами успешных экспериментальных проверок, измерений и пусков экспериментальных образцов цифровых РЗ, в состав которых входят разработанные ИТ.

Практическая значимость работы заключается в применении разработанного ИТ и его программного обеспечения в составе цифрового РЗ. Такой ИТ позволяет измерить температуру атмосферы с меньшей погрешностью по сравнению с существующим. Улучшение достигнуто адекватностью моделей, экспериментальной отработкой образцов цифровых ИТ РЗ, применением разработанных методик градуировки и более высокими скоростями получения, передачи, обработки результатов измерений.

Градуировка разработанных ИТ РЗ осуществляется в автоматическом режиме с применением разработанных: методики градуировки, измерительного стенда и программы, позволяющих увеличить производительность и уменьшить погрешность ИТ. Разработанная градуировочная установка позволяет отградуировать около ста тысяч ИТ в год, что полностью покрывает потребности Росгидромета.

Практическая апробация результатов проведенных исследований осуществлялась на базе созданного коллективом кафедры МРТУС МИЭТ экспериментальных образцов цифрового РЗ при непосредственном участии автора. При проектировании макетов РЗ лично автором решались задачи по разработке экспериментального образца ИТ, методики градуировки, конструкции и программного обеспечения градуировочной установки.

На защиту выносятся:

1. Результаты математического моделирования аналоговых измерителей температуры аэрологических радиозондов позволили установить, что доминирующей составляющей погрешности измерителя температуры является погрешность градуировки.

2. Результаты теоретического анализа погрешностей цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов позволяют разработать конструкцию измерителя с погрешностью в 3 раза меньшей по сравнению с аналоговыми измерителями.

3. Методика градуировки цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов и разработанная промышленная автоматизированная многоканальная градуировочная установка, позволившие значительно уменьшить погрешность градуировки.

4. Результаты разработки и экспериментальных исследований разработанных экспериментальных образцов измерителей температуры в составе цифровых радиозондов.

Основные результаты диссертации были использованы при выполнении НИР «Исследование перспективных средств и методов высотного баллонного радиозондирования атмосферы», а также вошли в состав научно-технических отчетов по НИР и составной части ОКР.

Результаты работы внедрены в ООО «МРК» при выполнении составной части ОКР «Разработка аэрологического радиозонда», что подтверждается актом о внедрении.

На основе результатов, полученных при исследовании моделей и методик градуировки измерителей температуры в рамках работы над диссертацией на кафедре МРТУС МИЭТ, было разработано несколько лабораторных работ курса магистерской подготовки «Измерительные комплексы National Instruments», что подтверждается актом о внедрении.

Разработан экспериментальный образец цифрового радиозонда, в составе которого используется цифровой измеритель температуры, отградуированный по разработанной методике.

Получены:

- Патент на полезную модель «Малогабаритный радиозонд» RU 121600 U1. Дата регистрации: 21.12.2011. Номер заявки: 2011152068/28.

- Патент на полезную модель «Датчик температуры аэрологического радиозонда» RU 146316 U1. Дата подачи заявки: 07.07.2014 . Номер заявки: 2014127388/28.

- Свидетельство на программу для ЭВМ «Градуировка цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов» Номер регистрации (свидетельства): 2015617575. Дата регистрации: 15.07.2015.

- Свидетельство на программу для ЭВМ «Измерение диаграмм направленности антенн» Номер регистрации (свидетельства): 2016614281. Дата регистрации: 20.04.2016.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18-й, 19-й, 20-й, 21-й Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика» (г. Москва, г. Зеленоград, МИЭТ, 2011, 2012, 2013, 2014), научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов «Метрология в XXI веке» (Менделеево. ФГУП «ВНИИФТРИ», 2013), Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы и технологии в современном мире» (г. Уфа, БашГУ, 2013), IX Всероссийской научно-технической конференции «Метрология в радиоэлектронике» (Менделеево. ФГУП «ВНИИФТРИ», 2014), XIV международной научно-практической конференции «Инженерные и научные приложения на базе технологии NI NIDays» (г. Москва, 2015).

По теме диссертационной работы опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в журналах перечня ВАК, 2 из которых отражены в базе данных Scopus, 1 учебно-методическое пособие, 2 патента на полезную модель и 2 свидетельства на программу для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения и списка использованных источников. Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, определены цель и задачи исследования, представлены научная новизна, практическая значимость, положения и результаты работы,

выносимые на защиту, приведены сведения о реализации и апробации работы, кратко изложено содержание работы.

В первой главе на основе данных, взятых из литературных источников, приводится анализ современного состояния отечественной системы мониторинга температуры атмосферы аэрологическими РЗ. Представлено исследование погрешностей определения координат изобарических поверхностей при радиозондировании, рассмотрены отечественные и зарубежные РЗ, определены составляющие погрешности измерения температуры атмосферы ДГа , выполнен анализ рассмотренных моделей чувствительных элементов ИТ.

Во второй главе проведен сравнительный анализ моделей измерения аналогового и двух цифровых ИТ и исследованы их погрешности.

В третьей главе представлены методики градуировки экпериментального образца нового цифрового ИТ. Представлена разработанная программа, предназначенная для автоматизированной градуировки цифровых ИТ РЗ.

В четвертой главе проведено экспериментальное исследование метрологических характеристик практически реализованного

экспериментального образца цифрового ИТ. Представлены исследованные и разработанные способы устранения радиационной составляющей погрешности измерения температуры в виде экрана чувствительного элемента ИТ и двухтермисторного датчика. Представлены результаты испытаний экспериментального образца цифрового РЗ в форме вертикальных профилей температуры.

В результате исследований, описанных во второй, третьей и четвертой главах, определен и практически реализован тип ИТ с лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с аналоговыми.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, определена практическая значимость и дана краткая характеристика всей работы.

ГЛАВА 1

Современное состояние отечественной системы мониторинга температуры атмосферы аэрологическими радиозондами

1.1 Радиозондирование атмосферы

Радиозондирование атмосферы - это основной и наиболее точный метод аэрологических измерений вертикальных профилей метеорологических величин, таких как температура, влажность, давление, скорость и направление ветра с целью исследований атмосферы и прогнозирования погоды. Этот метод стал развиваться во всем мире после первого успешного запуска РЗ профессором Молчановым П.А. в 1930 году [8]. Дальнейшее интенсивное развитие электронной техники привело к появлению новой элементной базы, что позволило усовершенствовать РЗ, уменьшить массогабаритные и улучшить метрологические характеристики (МХ), сделать его более экономичным, так как он является средством измерений одноразового использования. Серийное производство транзисторного РЗ МАРЗ, работающего совместно с РЛС Метеорит, началось в 1982 г. в связи с необходимостью оснащения аэрологических станций СССР, которых к тому времени насчитывалось около 200. В 1983 г. была произведена модернизация РЗ, заключавшаяся в частичной замене транзисторов микросхемами. Такой РЗ получил наименование МРЗ и использовался в составе радиолокационного комплекса АВК, который был способен производить автоматическую обработку результатов измерений [11]. В 2001 г. введена в эксплуатацию станция нового поколения типа МАРЛ-А (рисунок 1.1), в которой применялись современная элементная база и новые методы обработки сигналов.

Рисунок 1.1 - Микроэлектронный аэрологический радиолокатор МАРЛ-А

Станция МАРЛ-А сконструирована с принципиально новым подходом, что отличает ее от подобных комплексов [12 - 15]. Она построена в виде одноблочной конструкции, что упрощает работы при ее производстве и эксплуатации. Антенна РЛС - активная фазированная антенная решетка. Благодаря применению современных электронных технологий и новых конструктивных решений такая система полностью автоматизирована, долгое время не требует технического обслуживания и способна работать в любых климатических условиях. Станция позволяет автоматически определять координаты РЗ в полете, обрабатывать принятую информацию и протоколировать численные значения метеорологических величин для конкретных высот.

С 2008 г. введена в эксплуатацию новая РЛС Вектор-М (рисунок 1.2). Она аналогична по принципу действия станции МАРЛ-А [16].

Рисунок 1.2 - РЛС Вектор-М

Новые РЛС, по сравнению с АВК, легкие, что позволяет их без труда устанавливать в определенном месте, потребляют меньше энергии, имеют меньшую излучаемую мощность и работают на частоте 1680 МГц. Однако, при радиозондировании на высотах 30 - 40 км необходимо дополнительное обслуживание с привлечением квалифицированных специалистов, а увеличение потенциала работы станций по дальности требует их модернизации.

На сегодняшний день аэрологическая сеть России оснащена как старыми радиолокационными комплексами АВК-1, АВК-1М, так и новыми МАРЛ-А, Вектор-М (рисунок 1.3). По состоянию на 2010 г. на территории России находится 126 станций [17].

Рисунок1.3 - Аэрологическая сеть России

На аэрологической сети России для радиозондирования атмосферы с целью измерения температуры и других метеорологических величин совместно с тремя описанными выше типами РЛС применяют четыре основных типа РЗ: малогабаритный РЗ - МРЗ-ЗА (рисунок 1.4 а), малогабаритный РЗ сетевой -АК2-01 (рисунок 1.4 б), РЗ повышенной точности - АК2-02 (рисунок 1.4 в), РЗ повышенной точности - РФ-95 (рисунок 1.4 г) [8].

Рисунок 1.4 - Радиозонды: а) МРЗ-ЗА, б) АК2-01, в) АК2-02, г) РФ-95

Основные МХ датчиков температуры и влажности РЗ представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - МХ датчиков температуры и влажности радиозондов

Тип радиозонда МРЗ-ЗА АК2-01 АК2-02 РФ-95

Тип чувствительного элемента датчика температуры ММТ-1 ММТ-1 СТ8103С5-3435

Основная погрешность, °С 1,8 1,8 1,0 1,0

Постоянная времени чувствительного элемента датчика температуры, на высоте от 0 до 30 км от 8 до 36 от 8 до 36 от 2 до 16

Тип датчика влажности СДД / Н1Н-4000 Н1Н-4000 Н1Н-4000 Хьюмикап

Погрешность датчика влажности, % 15 / 7 7 7 7

1.2 Аэрологические радиозонды отечественной системы мониторинга параметров атмосферы

На сегодняшний день известно несколько типов отечественных РЗ, утвержденных Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как типы СИ и внесенных в Государственный реестр средств измерений (таблица 1.2).

Таблица 1.2 -Радиозонды, внесенные в Государственный реестр средств измерений

№ СИ в госреестре

Наименование СИ

Тип СИ

Предприятие-изготовитель

Внешний вид

11430-08

Радиозонды малогабаритные

МРЗ-ЗА

ОАО «Метео», г.Екатеринбург

29263-05

Радиозонды

РФ 95 мод. L74

Филиал ГУ ЦКБ ГМП «КОМЕТ», г.Долгопрудный

п

56332-14

Радиозонды малогабаритные

МРЗ-3АК1

ОАО «Радий», г.Касли

29262-13

Радиозонды

РЗМ-2

ОАО «УПП «Вектор», г.Екатеринбург

35215-07

Радиозонды аэрологические малогабаритные

АК2-02

ООО «Аэроприбор», г.Москва

52508-13

Радиозонды малогабаритные

И-2012

ООО «НПФ Мультиобработка», г. Каменск-Уральский

54540-13

Радиозонды малогабаритные

МРЗ-ЗМК

ОАО «Радий», г.Касли

№ СИ в госреестре

Наименование СИ

Тип СИ

Предприятие-изготовитель

Внешний вид

54541-13

Радиозонды малогабаритные

МРЗ-Н1

ОАО «Радий», г.Касли

63492-16

Радиозонды цифровые аэрологические

ЦРЗ-МРК

ОАО «Саранский телевизионный завод»

63497-16

Радиозонды малогабаритные

ЗГ-14

ЗАО "Ланит", г.Москва

Первые семь из представленных в таблице РЗ содержат в своем составе аналоговые ИТ, в которых применены технические решения и конструкции, предложенные и исследованные в период с 1965 по 1985 г. В этих ИТ применяются разные измерительные схемы, но одна и та же ФП и методика градуировки. Принцип работы таких РЗ заключается в следующем [18, 19]: электрические сигналы от первичных преобразователей температуры и влажности поступают в радиоблок, в котором полученная информация преобразуется в радиотелеметрический сигнал несущей частоты, представляющий последовательность радиоимпульсов, следующих с частотой суперизации (поднесущая частота). Последовательность суперирующих импульсов является частотно-манипулированным сигналом. Частота следования суперирующих импульсов принимает два значения, отличающихся на величину девиации и определяется последовательностью модулирующих видеоимпульсов, период следования которых пропорционален измеряемым величинам. РЗ запускают в атмосферу на латексной оболочке, наполненной водородом или гелием. По запросному сигналу, излучаемому РЛС из состава радиолокационного комплекса, вырабатывается ответный сигнал, в котором закодирована информация о метеорологических величинах.

Практически во всех из представленных типов РЗ в качестве чувствительного элемента ИТ используют термистор. В нашей стране широкое

распространение получил радиозонд МРЗ-ЗА с термистором типа ММТ-1 (таблица 1.1).

Принцип действия РЗ МРЗ-Н1 [20 - 22] основан на измерении датчиками температуры и влажности соответственно температуры и влажности окружающего воздуха, преобразовании полученной информации в информационные пакеты, которые передаются по цифровому радиоканалу на базовую станцию слежения. Координаты и скорость движения РЗ определяют по сигналам спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС и (или) GPS.

В РЗ ЗГ-14 [23] измеренные данные поступают в измерительный преобразователь на борту для обработки и преобразования в цифровой код. Обработанные данные передаются по радиоканалу на приемный комплекс.

1.3. Зарубежные аэрологические радиозонды

Известны зарубежные аэрологические радиозонды [24 - 30] (таблица 1.3), участвующие в международных сличениях [31].

Таблица 1.3 - Зарубежные радиозонды

Наименование радиозонда Чувствительный элемент измерителя температуры Страна-производитель Внешний вид

Vaisala RS80 алюминизированный бусинковый термоконденсатор Финляндия / «Н / ^ wamc perior ре / «I »1 nsabU,

Vaisala RS92 проволочный термоконденсатор Финляндия а

VIZ Mk11 стержневой термистор США -

Наименование радиозонда

Чувствительный элемент измерителя температуры

Страна-производитель

Внешний вид

VIZ 1392

стержневой термистор

СШЛ

SMG

биметаллическая

спираль с радиационным экраном

Китай

Meisei RS2-91

Graw DFM-97

Modem M2K2

бусинковый алюминизированный термистор

Япония

бусинковый алюминизированный термистор

Германия

бусинковый алюминизированный термистор

Франция

Modem M10

бусинковый алюминизированный термистор

Франция

Как видно из таблицы, каждая фирма, производящая РЗ, использует определенный чувствительный элемент (sensor) ИТ. В основном - это термистор. Исключение - РЗ фирмы Vaisala, в которых применяется термоконденсатор [25]. Такой элемент обычно изготавливают из керамического материала, диэлектрическая проницаемость которого изменяется в зависимости от температуры. Он может достигать в диаметре до 0,1 мм, обеспечивает большую скорость реакции и малую зависимость от солнечной радиации на больших высотах. Практически для всех из представленных типов зарубежных РЗ применяется навигационный способ определения координат изобарических

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Боровков Александр Сергеевич, 2018 год

Список литературы

1. Киселев В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). - СПб: Изд-во РГГМУ, 2004. - 429 с.

2. Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности. - СПб, 2009 -С. 45-51.

3. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и использования радиозондовых измерительных средств. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2004. - 596 с.

4. Зайчиков П.Ф. Метод "тройного контроля" и его применение для исследования точности радиозондов // Труды ЦАО. - М. - 1956. - Вып. 16. -С. 10 - 15.

5. Молчанов П.А. О точности зондирования атмосферы методом радиозондов // Метеорология и гидрология. - 1936. - № 2. - С. 30-41.

6. Решетов В.Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 215 с.

7. Марфенко О.В. Оценка точности результатов радиозондирования на аэрологической сети Советского Союза // Метеорология и гидрология. -1969. - № 3. - С. 14-21.

8. Фридзон М.Б., Ермошенко Ю.М. Радиозондирование атмосферы // Мир измерений. - 2009. - №7. С. 16-21.

9. Измерение температуры. [Электронный ресурс]: Шр://в1:иёереё1а.ог§/тёех.рЬр?уо1=1&ро81=775. (дата обращения 14.05.2016).

10. Радиозонды цифровые аэрологические ЦРЗ-МРК. Описание типа средства измерений (рег. № 63492-16). 2016. - 5 с.

11. Устройство, конструкция, эксплуатация и направления модернизации аэрологического вычислительного комплекса АВК-1. [Электронный ресурс]: http://ipk.meteorf.ru/index.php?option=com_content&view=artic1e&id=

97%3А..........1-&catid=41%3A2008-12-23-12-31-29&Itemid=38. (дата

обращения 17.05.2016).

12. Кочин А.В., Азаров А.С., Дубовецкий А.С., Лесков Р.В. Отчет о научно-исследовательской работе «Обеспечить научное сопровождение промышленного производства и ввода в эксплуатацию нового аэрологического комплекса МАРЛ-А». - Долгопрудный. - 2004.

13. Кочин А.В., Дубовецкий А.З. Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А // Ж. науч. публ. аспирантов и докторантов. [Электронный ресурс]:

http: //www.j umal. org/articles/2008/geo2 .html.

14. ДубовецкийА.З., КочинА.В. Автоматический поиск радиозонда при проведении аэрологического радиозондирования атмосферы комплексом МАРЛ-А. // Естественные и технические науки. - 2009 г. - №1.

15. Азаров А.С., Иванов А.А., Кочин А.В., Сизов В.И., Чистюхин В.В. Основные принципы построения и алгоритмы работы аэрологического радиолокатора МАРЛ-А. [Электронный ресурс]: http://cao-ntcr.mipt.ru/doc(html).htm. (дата обращения 20.05.2016).

16. АРВК «Вектор-М». [Электронный ресурс]: http: //vektor.ru/produktsiya/graj danskaya_produktsiya/vektor_meteo/meteorologi cheskie_sistemyi/arvk_vektor_m. (дата обращения 22.05.2016).

17. Борисов Ю.А. Центральная аэрологическая обсерватория Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды РФ (Росгидромета). [Электронный ресурс]: http://www.ria-stk.ru/mi/adetail.php?ID=52691. (дата обращения 24.05.2016).

18. Радиозонды малогабаритные МРЗ-3АК1. Руководство по эксплуатации.

19. Осипов Ю.Г., Герасимова Н.В., Дядюра А.В. Устройство и принцип действия аэрологической информационно-измерительной системы «Улыбка». Устройство и принцип работы радиозонда МРЗ-3А. Учебное пособие по дисциплине Методы зондирования окружающей среды. - СПб; РГГМУ, 2009. С. 25 - 55.

20. Радиозонды малогабаритные МРЗ-Н1. Описание типа средства измерений (рег. № 54541-13). 2013. - 5 с.

21. Радиозонды малогабаритные МРЗ-Н1. Руководство по эксплуатации. ШЛИГ. 405543.004 РЭ. 2013. - 23 с.

22. Патент на полезную модель РФ № 109297. Иванов В.Э., Открытое акционерное общество «Радий». МПК: G01S 5/02.

23. Радиозонды малогабаритные ЗГ-14. Описание типа средства измерений (рег. № 63497-16). 2016. - 5 с.

24. Richner H., Phillips P.D. Reproducibility of VIZ radiosonde data and same sources of error // J. Appl. Meteorol. - 1981. - V. 20. - № 8. - P. 954-982.

25. Радиозонд Vaisala RS92-SGP. Руководство пользователя. - Хельсинки. Финляндия. 2012. - 54 с.

26. Радиозонд RS92-SGP от фирмы Vaisala. [Электронный ресурс]: http://www.vaisala.ru/Vaisala%20Documents/Brochures%20and%20Datasheets/ RS92SGP-Datasheet-B210358RU-F-L0W.pdf. (дата обращения 24.05.2016).

27. E. KOBAYASHI, Y. NOTO, S. WAKINO, H. YOSHII, T. OHYOSHI, S SAITO and Y BABA. Comparison of Meisei RS2-91 Rawinsondes and Vaisala RS92-SGP Radiosondes at Tateno for the Data Continuity for Climatic Data Analysis. Journal of the Meteorological Society of Japan, Vol. 90, No. 6, 2012, pp. 923-945.

28. Radiosonde DFM-09. [Электрон.ресурс]: http://www. graw. de/home/products2/radiosondes0/radiosondedfm-090/. (дата обращения 20.05.2016).

29. Upper Air Sounding Systems. [Электрон.ресурс]: http://www.figtree.us.com/pdfs/Graw_Brochure_2011.pdf. (дата обращения 24.05.2016).

30. Radiosonde MODEM Typ M2K2. [Электрон.ресурс]: http://www.radiosonde.eu/RS00-D/RS03H01-D.html. (дата обращения 24.05.2016).

31. John Nash. Measurement of Upper-air Pressure, Temperature and Humidity. Instruments and Observing Methods. 2015. Report No. 121 p. 29 - 31.

32. Guide to the expression of uncertainty in measurements. Geneva: ISO, 1995; Руководство по выражению неопределенности измерения. Спб.: ВНИИМ, 1999.

33. Чуйко В.Г.. Прослеживаемость измерений температуры в аэрологических наблюдениях радиозондированием // Измерительная техника : науч. -технич. журн. - 2011. - № 11. - С. 30 - 35.

34. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation // World Meteorological Organization (WMO). 2006. № 8. - 569 p.

35. Комплексный эксперимент по исследованию погрешностей измерения температуры и влажности сетевым радиозондом / A.M. Балагуров, А.Р. Дозорцев, Б.П. Зайчиков, и др. // Второй Всесоюзный семинар "Технические средства для государственной системы наблюдений и контроля природной среды (ГСКП)": Тез.докл. - Обнинск, 1983. - С. 138-139

36. Фридзон М.Б. Физическая модель погрешности измерения температуры и влажности при радиозондировании атмосферы // Труды НИИ приборостроения. - Вып. 48. - М., 1985. - С. 24-37.

37. Фридзон М.Б. Методология радиозондирования атмосферы и достоверность измерений вертикальных профилей температуры и влажности до высот 35 -40 км. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. 2004. С. 323

38. Фридзон М.Б., Ермошенко Ю.М. Метрология сетевого радиозондирования атмосферы // Прикладная физика и математика. - 2015. - № 5. - С. 50-66.

39. Фридзон М.Б. Оценка погрешностей измерений температуры и влажности при радиозондировании на аэрологической сети СССР // Метеорология и гидрология. - 1989. - № 5.- С. 114-118.

40. Фридзон М.Б., Зайчиков Б.П., Балагуров А.М., Дозорцев А.Р. Динамические погрешности аэрологического зондирования атмосферы // Метрология. -1987. - № 1. - С. 58-61.

41. Боровков А.С. Исследование погрешностей определения координат

изобарических поверхностей при радиозондировании атмосферы //

113

Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2016. - Т. 21 - № 4. -С. 373 - 379.

42. ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. - М.: Стандартинформ, 2006. - 26 с.

43. Положение о метрологическом обеспечении аэрологических наблюдений. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Москва. 2007.

44. Временные методические указания по производству радиозондирования атмосферы системой МАРЛ-А - МРЗ-3АТ. Руководящий документ. РД 52.11.652 - 2003. - 25 с.

45. ГОСТ 4401-81 Атмосфера стандартная. Параметры. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 180 с.

46. ГОСТ Р 8.736-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. - М.: Стандартинформ, 2013. - 20 с.

47. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Скольника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том. 4. Радиолокационные станции и системы. Под ред. М.М. Вейсбейна, М., «Сов. Радио», 1978, 376 с.

48. Ермошенко Ю.М., Фридзон М.Б. К метрологической аттестации системы сетевого аэрологического радиозондирования атмосферы // Научный вестник МГТУ ГА. - 2015. - №222 (12). - С. 133-137.

49. Дж. Фрайден. Мир электроники. Современные датчики. Справочник. Пер. с англ. Ю.А. Заболотной под редакцией Е.Л. Свинцова. - М.: Техносфера, 2005. С. 478-485.

50. Применение терморезисторов (термисторов) для измерения температуры. / [Электрон. ресурс] http://www.rea11ab.ru/Termistors.htm (дата обращения 20.07.2016).

51. Steinhart, J.S. Calibration curves for thermistors / J.S. Steinhart, S.R. Hart // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1968. - № 4. - c. 497-503.

52. NTC thermistors for temperature measurement. [Электрон. ресурс]: http : //fraden.brandeis. edu/courses/phys39/Thermal%20Contr ol/hardware/Thermistor%20EPCOS%20B57861 S0202F040.pdf.

53. Семенов Л.А., Сирая Т.Н. Методы построения градуировочных характеристик средств измерений. - М.: Изд-во стандартов. 1986. - 127 с.

54. Левин С.Ф. Легенда о градуировке // Партнеры и конкуренты. - 2003. - № 9. - С. 16-23.

55. Калмановский В.И. Продолжение легенды о градуировке // Партнеры и конкуренты. - 2004. - № 2. - С. 16-21.

56. Калмановский В.И. Построение градуировочных характеристик для методик анализа объектов окружающей среды // Измерительная техника. -1998. - № 3. - С. 64-68.

57. Матвиенко В. А., Фридзон М. Б., Гайнанов Х. Н. Метрологические характеристики измерительного преобразователя температуры аэрологического радиозонда // Метрология. 1984. № 1. С. 50- 55.

58. Зонд аэрологический малогаборитный АК2. Технические условия. МНЖИ. 416123.002 ТУ. Приложение Л «Градуировочные точки датчиков температуры и радиоблока и расчет коэффициентов».2007.

59. Радиозонды аэрологические. Радиозонды малогабаритные МРЗ-3АК1, изготовитель ОАО «Радий».г. Касли, № Госреестра 33855-07, срок действия до 05.03.2017 [Электрон. ресурс].

http://www.fundmetrology.ru/10_tipy_si/list.aspx. (дата обращения 17.05.2016).

60. Термисторы фирмы Siemens and Matsushita. Библиотека электронных компонентов. 5 выпуск. 1999 г.

61. Макаров В.В.. Проектирование измерительного канала информационно-измерительной системы; Метод. указания к курсовому проекту по курсу «Информационно-измерительные системы» / Моск. гос. ин-т. электроники и математики. М., 2010. - 17 с.

62. AD7680 16-Bit ADC (datasheet). [Электрон. ресурс] http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7680.pdf (дата обращения 06.06.2016).

63. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Соколов А.А., Хечумов А.С. Универсальный малогабаритный радиозонд // Патент на полезную модель RU 103195 U1. Дата регистрации: 01.12.2010. Бюл. № 9.

64. Боровков А.С., Чуйко В.Г. Погрешность градуировки термисторного измерителя температуры аэрологического радиозонда // Измерительная техника : науч.- технич. журн. - 2014. - № 6. - С. 37 - 42.

65. Digital temperature sensor ADT (datasheet). [Электрон. ресурс]. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADT7410.pdf (дата обращения 17.05.2016).

66. Боровков А.С., Чуйко В.Г. Метод градуировки измерителей температуры цифровых аэрологических радиозондов. Инновационные процессы и технологии в современном мире: материалы Международной научно-практической конференции. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. - С. 269 - 278.

67. Элемент термометрический чувствительный платиновый ЭЧП 001/ [Электрон. ресурс]. http://www.vladetalon.ru/device.php?id=1.

68. Измерители температуры многоканальные прецизионные серии МИТ 8. Описание типа средства измерений (рег. № 19736-11). 2011. - 9 с.

69. Боровков А.С. Методика градуировки измерителей температуры цифровых аэрологических радиозондов // Измерительная техника: науч.-технич. журн. - 2016. - № 9. - С. 35 - 38.

70. Discovery climatic chamber DY1200C. [Электрон. ресурс] http: //www.labectra. lt/index.php/en/products/product/view/12/17 (дата обращения 20.11.2016).

71. Термометр сопротивления платиновый эталонный ПТСВ-2-3 / [Электрон. ресурс]: http://kipia.ru/catalog/izmeritelnye-pribory/izmerenie-temperatury/termopreobrazovateli-soprotivleniya/ptsv-1 -ptsv/ (дата обращения 17.05.2016).

72. Боровков А.С. Программа для ЭВМ «Градуировка цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов» Номер регистрации (свидетельства): 2015617575. Дата регистрации: 15.07.2015.

73. Боровков А.С. Программа для ЭВМ «Измерение диаграмм направленности антенн» Номер регистрации (свидетельства): 2016614281. Дата регистрации: 20.04.2016.

74. Фридзон М.Б., Шляхов В.И. О некоторых особенностях измерения температуры радиозондами на больших высотах // Труды ЦАО. 1971. Вып.102. С. 130 - 138.

75. Schmidlin F. J., Luers J. K., Huffman, P. D. Preliminary Estimates of Radiosonde Thermistor Errors. NASA, 1986. Techn. Paper 72637.

76. Schmidlin F. J., Sang Lee H., Ranganayakamma B. Deriving the accuracy of different radiosonde types using the three-thermistor radiosonde technique // Proc. 9th AMS Symp. Meteorological Observations and Instrumentation. Charlotte (NC, USA), 1995. P. 27-31.

77. Pathack B. е. а. Preliminary Results of WMO Intercomparison of high quality radiosonde systems // Proc. WMO Techn. Conf. Meteorological and Environmental Instruments and Methods Observation (TECO - 2005). Geneva, 2005. WMO/TD - №1265.

78. Bower C., Fitzgibbon J. J. National Weather Service in situ radiation temperature correction for Radiosonde Replacement System GPS radiosondes.

79. Боровков А.С., Чуйко В.Г. Датчик температуры аэрологического радиозонда // Патент на полезную модель RU 146316 U1. Дата регистрации: 07.07.2014. Бюл. №28.

80. Семянников С.В., Кушпелев С.Г., Юсупов Р.З. Конструкция аэрологического радиозонда // Патент на полезную модель RU 46861 U1. Дата регистрации: 28.03.2005. Бюл. № 21.

81. Рысев В.В., Иванов В.Э. Блок первичных преобразователей температуры и влажности радиозонда аэрологического // Патент на полезную модель RU 128351 U1. Дата регистрации: 20.12.2012. Бюл. № 14.

117

Приложение

Патенты на полезную модель

Лвтор(ы): Боровков Александр Сергеевич (Ш!), Чуйко Владислав Григорьевич (К11)

Автор(ы): Чистюхин Виктор Васильевич (1111), Лялин Константин Сергеевич (Ш), Чирку нова Жанна Владимировна (Я11), Орешкин Виталий Иванович (Я11), Чуйко Владислав Григорьевич (1Ш), Педро Лев Валерьевич (ки), Боровков Александр Сергеевич (Я11)

Свидетельства о государственной программы для ЭВМ

Акты внедрения результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор

ООО «Мордовская радиоэлектронная крмпанйя>> / /

/ Трубников В .А.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Боровкова Александра Сергеевича на тему "Исследование и разработка измерителей температуры системы мониторинга параметров атмосферы аэрологическими радиозондами"

Комиссия в составе: председатель - генеральный директор «МРК» Трубников В.А.; член комиссии: гл. конструктор Хечумов A.C.

составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Боровкова A.C. «Исследование и разработка измерителей температуры системы мониторинга параметров атмосферы аэрологическими радиозондами» использованы при разработке измерителя температуры аэрологического радиозонда и методики его градуировки в рамках выполнения составной части ОКР «Разработка аэрологического радиозонда» (шифр "Дирижабль-зонд").

Разработанная при участии Боровкова A.C. методика градуировки измерителей температуры цифровых аэрологических радиозондов позволяет осуществлять градуировку большого количества измерителей одновременно в автоматическом режиме с помощью программы для ЭВМ и уменьшить погрешность градуировки.

Разработанная Боровковым A.C. программа для ЭВМ «Градуировка цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов» применяется при градуировке измерителей.

Член комиссии:

Председатель комиссии:

Трубников В.А.

Хечумов A.C.

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по учебной работе МИЭТ

д.т.н., профессор

____/[Ц/ КГ. Игнатова

2017 г.

7 3

Акт о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Боровкова Александра Сергеевича на тему «Исследование и разработка измерителей температуры системы мониторинга параметров атмосферы аэрологическими радиозондами»

Полученные Боровковым A.C. в процессе диссертационного исследования теоретические и практические результаты, в частности: понятийный аппарат, основные теоретические принципы, модели терморезисторов, методы оценки погрешностей и методики градуировки измерителей температуры аэрологических радиозондов, - используются в учебном процессе, в курсе магистерской подготовки «Измерительные комплексы National Instruments».

Разработанные в процессе диссертационного исследования методики градуировки и измерения постоянной времени терморезисторов, -используются магистрами в лабораторных работах курса «Измерительные комплексы National Instruments».

Заведующий кафедрой Микроэлектронных радиотехнических устройств и систем к.ф.-м.н., доцент К.С. Лялин