Введение к работе
Актуальность темы. Оценка точности измерения метеорологических величин методом радиозондирования атмосферы важна в метеорологии для прогнозирования погоды. В большинстве отечественных метеорологических радиолокаторов и в выпускаемых серийно и эксплуатируемых аэрологических радиозондах (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 точной измерительной техники и быстрой обработки больших массивов данных экспериментальных исследований.
Одним из наиболее перспективных приемов является применение в системах радиозондирования цифрового РЗ. Он содержит микроконтроллер с цифровым измерителем температуры (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 повысить их точность. Это является существенным преимуществом перед аналоговыми РЗ, применяемыми до сих пор на аэрологической сети России.
Объектом диссертационного исследования являются измерители температуры аэрологических радиозондов.
Предметом диссертационного исследования являются модели, методики градуировки и погрешности измерителей температуры аэрологических радиозондов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методик градуировки и уменьшение погрешностей измерителей температуры, применяемых в составе радиозонда.
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;
разработка рекомендаций по применению исследованных моделей и методик градуировки при внедрении разработанных измерителей в производство.
Научная новизна полученных в работе результатов:
1. Разработан, исследован и реализован новый метод оценки погрешно
сти аналоговых измерителей температуры аэрологических радиозондов на
основе анализа их градуировочной характеристики вместо метода с использо
ванием анализа функции преобразования.
-
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.
-
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 U1 «Датчик температуры аэрологического радиозонда».
Методы исследования. 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 ИТ.
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.
На защиту выносятся:
1. Результаты математического моделирования аналоговых измерителей температуры аэрологических радиозондов позволили установить, что доминирующей составляющей погрешности измерителя температуры является погрешность градуировки.
-
Результаты теоретического анализа погрешностей цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов позволяют разработать конструкцию измерителя с погрешностью в 3 раза меньшей по сравнению с аналоговыми измерителями.
-
Методика градуировки цифровых измерителей температуры аэрологических радиозондов и разработанная промышленная автоматизированная многоканальная градуировочная установка, позволившие значительно уменьшить погрешность градуировки.
-
Результаты разработки и экспериментальных исследований разработанных экспериментальных образцов измерителей температуры в составе цифровых радиозондов.
Реализация работы. Основные результаты диссертации были использованы при выполнении НИР «Исследование перспективных средств и методов высотного баллонного радиозондирования атмосферы», и 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 RU 121600 U1 «Малогабаритный радиозонд». Дата регистрации: 21.12.2011. Номер заявки: 2011152068/28;
Патент на полезную модель RU 146316 U1 «Датчик температуры аэрологического радиозонда». Дата регистрации: 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.
Апробация работы. 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).
Публикации. По теме диссертации 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.
Личный вклад. Все результаты диссертации, представленные в работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. В совместных работах автор участвовал в выборе и постановке задач исследования, разработке методик градуировки, анализе погрешностей измерителей температуры аэрологических радиозондов, проведении экспериментов, обсуждении и интерпретации результатов, написании статей, формулировке выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 81 наименования и приложения. Основное содержание работы изложено на 123 страницах и содержит 44 рисунка и 26 таблиц.