ГМИ методичка

Рис. 11.1. Датчик параметров ветра М-63М: 1 – винт-ветроприемник, 2 – флюгарка, 3, 3’– пара конических шестерен, коэффициент передачи которых

1: 1, 4 – медный стаканчик, скрепленный с шестерней 3, 5, 5’– ферритовые стержни – подвижные элементы импульсаторов. Они вращаются вместе с шестернями. Иоп – импульсатор опорной серии, Иос – импульсатор основной

серии, Исд – импульсатор сдвинутой серии. 6, 6’– герконы. Замыкаясь при повороте магнита 7, вырабатывают сигнал о повороте флюгарки.

7 – постоянный магнит. Поворачивается с флюгаркой

Повернем теперь флюгарку на угол φ, отсчитанный от плоскости рисунка. Теперь стержни 5 и 5’ проходят над импульсаторами Иоп и Иос уже не одновременно. При повороте флюгарки на угол φ шестерня 3’ дополнительно повернется на тот же угол. Вследствие этого совпадения ферритового стержня 5’с импульсатором Иос (основная серия) будут происходить с фазовым сдвигом φ, а 5’ и Исд (сдвинутая серия) со сдвигом φ + 180° по сравнению с моментом совпа­ де­ ния­ 7 и 8 (опорная серия). Этот сдвиг по фазе является мерой угла поворота флюгарки, т. е. направления ветра. Импульсы, вырабатываемые импульсаторами, показаны на рис. 11.2.

131

Рис. 11.2. Опорная, основная и сдвинутая серии импульсов

Напомним, что, согласно определению, сдвигом фаз называется величина φ:

ϕ= Tt 360°.

11.4.Принцип действия импульсатора

Импульсаторпредставляетсобойтранзисторныйблокинг-гене- ратор (Приложение 7) со срывом колебаний (рис. 11.3).

Секции L1 и L2 первичной обмотки трансформатора Тр включены встречно (точками обозначены начала обмоток). Вторичная обмотка L3 включена в цепь базы. С нее снимается сигнал обратной связи. Параметры схемы подобраны так, что когда стержень 5 находится непосредственно около сердечника 6, обратная связь положи- тельная:блокинг-генераторнаходитсявавтоколебательномрежиме. Смещение стержня 5 при вращении винта в сторону от сердечника уменьшает индуктивность L1, после чего основную роль играет связь между L2 и L3, которая является отрицательной. Генерация срывается. Переменная составляющая в цепи эмиттер-коллектор сглаживается конденсатором С2, падение напряжение на резисторе R2 является выходным. Таких импульсаторов в датчике три: Иоп, Иос и Исд. Все импульсаторы вырабатывают импульсы одинаковой частоты, определяемой скоростью вращения винта. Будем называть серию импульсов вырабатываемых импульсатором Иоп – опорной

(ОП), Иос – основной (ОС) и Исд – сдвинутой (СД) (рис. 11.2). Более подробно работа импульсатора М-63 описана в книге [1].

132

Рис. 11.3. Принципиальная схема импульсатора

11.5. Измерительный пульт

Импульсы из названных серий на входе измерительного пульта попадают на отдельные формирователи (Фоп–Фсд), где осуществляется смена знака и усиление импульсов (рис. 11.4). В схеме измерительного пульта легко выделяются три параллельных канала: канал

средней скорости (V ), канал мгновенной и максимальной скорости (Vмнг и Vmax) и канал направления (φ). Рассмотрим последовательно эти каналы.

Рис. 11.4. Схема соединений импульсаторов (Иоп, Иос, Исд ) и формирователей (Фос, Фоп, Фсд ) с помощью кабеля

Рис. 11.5. Блок-схема канала средней скорости

11.6. Канал измерения средней скорости

Импульсы опорной серии от Иоп поступают на Фоп, а оттуда на масштабный делитель (МД) (рис. 11.5). Наблюдатель заводит часовой механизм (ЧМ), при этом ключ К замыкается на 10 минут и в течение этого времени питание подается на масштабный делитель МС. Масштабный делитель представляет собой систему последовательно включенных триггеров. Система триггеров имеет внутренние связи, которые задают коэффициент деления (редукционное число).

КоэффициентделенияN можетменяться(дискретно,черезединицу) от 48 до 64. Этот коэффициент устанавливается при настройке прибора. Уменьшенное в N раз, число импульсов регистрируется выходным инвертором, собранном на транзисторе VT, нагрузкой которого является обмотка электромеханического счетчика. Цена деления счетчика соответствует 0,1 м/с. Таким образом, если после 10-минутного интервала счетчик показывает, например, 74 деления, то средняя скорость ветра равна 7,4 м/с.

134

Рис. 11.6. Принципиальная схема канала измерения мгновенной и максимальной скорости ветра

11.7. Канал измерения мгновенной и максимальной скорости ветра

Принципиальная схема канала измерения мгновенной и максимальной скорости ветра показана на рис. 11.6. Поскольку в схему канала входит SR-триггер, то студентам рекомендуется ознакомиться с работой триггера. Соответствующее описание дано в Приложении 2.

Прямоугольные импульсы проходят через диодно-емкостные цепи С1–VD1 и C2–VD2. После прохождения через конденсатор прямоугольный импульс дифференцируется – преобразуется в два мгновенных импульса (рис. 11.7-а, б). Диод пропускает лишь положительные импульсы (рис. 11.7-в).

Итак, положительный мгновенный импульс поступает сразу на оба входа триггера. Зададим начальное состояние триггера таким, чтобы на его выходе было бы отрицательное напряжение. Тогда по приходе положительного импульса триггер срабатывает по S-входу и на его выходе появляется нулевое напряжение (здесь и далее уровень напряжения отсчитывается от общего провода, соединенного в схеме с положительным полюсом источника питания). Проходя черезR1 набазуVT1,этонапряжениезакрываетего.Тогдачерезнего ток не проходит и начинается зарядка конденсатора СД по цепи: общий провод–CД–VD3–R3–отрицательный полюс источника питания.

135

Рис. 11.7. Трансформация импульсов при прохождении через диодно-емкостные цепи

Конденсатор СД заряжается, причем его верхняя обкладка заряжается отрицательно. Через некоторое время пробивается стабилитрон VD5, так как напряжение на верхней обкладке превысит пробойное. Отрицательный импульс напряжения поступит на S-вход триггера через С3 и триггер возвращается в исходное состояние. На его выходе возникает отрицательное напряжение, которое открывает VT1. Конденсатор СД прекращает заряжаться, так как теперь ток проходит по цепи R3–VT1–земля. Но теперь зарядившийся конденсатор СД оказывается соединенным параллельно с СИ; и СД разряжается на СИ по цепи: СД–общий провод–VT1–VD4–CИ. Величина СИ >> СД, поэтому СД разряжается практически полностью, а СИ получает некоторую дозу заряда и на его обкладках появляется небольшое напряжение.

Следующийимпульсвызываетповторениевсегопроцесса.КонденсаторСИ сноваполучаетдополнительнуюдозузаряда.Скаждым следующим импульсом напряжение на СИ растет. Но вместе с этим идет разрядка СИ через резистор R5, причем с ростом напряжения на СИ разрядный ток возрастает. Вскоре наступает установившееся состояние – заряд, приобретенный СИ за один цикл, равен разряду за один цикл. Нетрудно видеть, что в этом состоянии напряжение на СИ зависит от частоты импульсов, то есть от скорости ветра. Оно измеряется стрелочным или цифровым прибором.

Максимальная скорость ветра измеряется пассивной стрелкой, вмонтированной в стрелочный прибор. Стрелка измерительного прибора «Vмгн» при перемещении по шкале слева направо (в сторону возрастания скорости) специальном поводком увлекает за собой пассивную стрелку «Vmax». При уменьшении скорости этот поводок отходит от стрелки «Vmax». Поскольку стрелка пассивная, то есть,

136

лишена возвратной пружины, то она остается на месте, удерживаемая силой трения. Следовательно, она показывает максимальное значение Vмгн между сроками наблюдений. Сброс «Vmax» осуществляется вручную наблюдателем после снятия отсчета.

Шкалаприбораимеетделенияот0до60м/с.Нопосколькускорость ветра обычно не превышает 10–20 м/с, предусмотрена вторая шкала – от 0 до 30 м/с. Для того, чтобы воспользоваться этой шкалой, наблюдатель нажимает кнопку «0–30», при этом в канал поступают импульсы как основной, так и сдвинутой серии. Поскольку сдвиг фаз между ними составляет 180°, общая частота импульсов увеличивается в два раза. Следовательно, угол отклонения стрелки прибора также увеличивается вдвое и показания должны сниматься по другой шкале.

Для поверки прибора в полевых условиях в пульт вмонтирован специальный блок контроля. Это генератор импульсов определенной частоты. При включении блока контроля все импульсаторы отключаются от схемы и в оба канала – как в канал средней скорости, так и в канал мгновенной скорости – поступают импульсы заданной частоты. Поскольку частота импульсов во время проверки постоянна, то показания по обоим каналам должны совпадать. Если же они несовпадают,торегулируетсярезисторR6 вканалемгновеннойскорости (рис. 11.6). При этом регулируется потенциал нижнего электрода стабилитрона VD5. Следовательно, изменяется и потенциал верхнего электрода в момент пробоя, а значит, и доза заряда на СД. Следовательно, меняется и напряжение на СИ в установившемся состоянии, а значит, и показания прибора.

11.8. Канал измерения направления ветра

Как уже было сказано, для измерения направления ветра необходимо измерить сдвиг фаз между опорной и основной серией (ОПОС) или опорной и сдвинутой серией (ОП-СД). В последнем случае к полученному значению необходимо прибавлять 180°. Принципиальная схема канала измерения направления ветра показана на рис. 11.8.

Предположим, ключ К1 находится в верхнем положении. Тогда импульсыопорнойсериипоступаютнаS-входтриггерасформирова- теля Фоп, а импульсы основной серии – на R-вход триггера с формирователя Фос. Поступивший (положительный!) импульс опорной серии переводит триггер в такое состояние, отрицательное напряжение

137

Рис. 11.8. Принципиальная схема канала измерения направления ветра

на его выходе исчезает. Появившееся нулевое напряжение запирает транзистор VT. Через некоторое время, определяемое фазовым сдвигом, на R-вход приходит импульс основной серии и перебрасывает триггер. VT при этом открывается. Следовательно, транзисторVT заперт только в течение времени между импульсами. В течение этого времени заряжается конденсатор С. Его емкость довольно велика, и зарядка происходит медленно. В течение одного цикла он не успевает зарядиться полностью. Вместе с тем идет разрядка конденсатора черезцепочкурезисторовR3–R2.Черезнесколькоцикловдостигается установившееся состояние, когда заряд равен разряду. Напряжение на конденсаторе стабилизируется. Легко понять, что оно однозначно связано со временем зарядки конденсатора в течение одного цикла, то есть с фазовым сдвигом. Схема имеет то преимущество, что большая емкость конденсатора осредняет флуктуации направления ветра.

Однако необходимо предусмотреть следующее обстоятельство. При флуктуациях положения флюгарки вокруг северного направления время зарядки конденсатора будет изменяться – то очень малое, то очень большое. Поэтому осредненное значение направления будет сильно отличаться от истинного – южное вместо северного! Для того, чтобы избежать такой ошибки, воспользуемся другой парой импульсов – ОП–СД. Тогда фазовый сдвиг изменится на 180°

138

и соответственно, необходимо пользоваться другой шкалой: 180°– 0–180°. Колебания положения флюгарки теперь приводят к колебанию положения стрелки в центре шкалы, что успешно осредняется емкостью конденсатора.

Для переключения рабочей пары импульсов ключ К1 должен быть переведен в нижнее положение. Это делает реле Р, которое получает сигнал в виде напряжения с сигнализатора положения флюгарки СПФ. СПФ представляет собой два геркона, укрепленных неподвижно.Наколонкефлюгаркивращаетсямагнит(рис.11.1).Когда магнит замыкает один из герконов, на реле поступает напряжение и реле переводит контакты К1 и К2 в нижнее положение. При замыкании второго геркона на реле поступает нулевое напряжение и оно возвращает К1 и К2 в верхнее положение. Любое положение блокируется схемой блокировки реле СБР до замыкания другого геркона.

Контакты К2 стоят в цепи питания одной из лампочек L1 или L2, по которым наблюдатель определяет, по какой шкале следует измерять направление ветра.

Для поверки канала в полевых условиях включается блок конт­ роля­ .ПриэтомнаS-входтриггерапоступаетотрицательноепостоян­ ное напряжение. Таким образом, триггер всегда находится в одном состоянии и транзистор VT всегда открыт. Конденсатор С заряжается постоянно, что соответствует максимальным показаниям прибора, то есть 360° по верхней шкале 0–360. Если прибор показывает иное значение, проводится его подстройка резистором R3. При этом изменяется ток заряда конденсатора С и, следовательно, показания прибора в установившемся состоянии.

11.9. Блок контроля

Мы уже говорили, что в измерительном пульте размещен блок контроля, который состоит из мультивибратора, вырабатывающего частоту около 50 Гц, и системы переключателей напряжения. При включении блока контроля отключается напряжение питания, подаваемое на измерительные импульсаторы, а импульсы, вырабатываемые мультивибратором, поступают на вход масштабного делителя (при замкнутом ключе К (рис. 11.5), т. е. при взведенном часовом механизме) и одновременно на вход канала измерения мгновенной скорости ветра (замыкание кнопки «0–30» не меняет теперь число поступающих импульсов). Стрелка указателя Vмгн устанавливается

139

на значении около 30 м/с. Тому же значению должен соответство-

вать отсчет V через 10 минут. Если отсчеты V и Vмгн различаются на величину, большую, чем допустимая погрешность измерения, то показания этих измерений должны быть скорректированы. Эта коррекция достигается изменением положения движка потенциометра «контроль скорости» R6 (см. рис. 6).

При включения блока контроля на S-вход триггера канала измерения направления подается постоянное напряжение – 12 В, вследствие этого транзистор VT (рис. 11.8) оказывается постоянно запертым и конденсатор С заряжается до предельного напряжения, обеспечивающего максимальный ток через измерительный прибор. Указатель направления должен оказаться на отметке 360° по верхней шкале 0–360. Если отклонение превышает величину допустимой погрешности, то движком потенциометра R3 «контроль напряжения» показания прибора следует откорректировать.

11.10.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с описанием установки.

2.Сделайте внешний осмотр и проверьте правильность соединения отдельных блоков установки. Включите установку в сеть.

3.Приведите в рабочие (утопленное) положение клавиши «направление»и«скорость»налицевойпанелиизмерительногопульта.

4.Проверьте работоспособность и правильность настройки всех измерительных каналов. Для этого поставьте тумблер «Контроль», расположенный на задней панели измерительного пульта

вположение «Вкл.».

5.Проверьте канал измерения максимальной скорости: нажмите кнопку сброса на электромеханическом счетчике, рукоятку «средняя скорость» поверните чуть правее отметки «10». Через некоторое время часовой механизм замкнет ключ К (рис. 11.5) и на счетчик через масштабный делитель будут поступать импульсы от мультивибратораблокаконтроля.Через10минутрукоятка«средняя скорость» повернется в положение «0» и ключ К разомкнется. Взяв отсчет по счетчику, разделите его на 10. Полученное значение соответствует значению средней скорости в метрах в секунду.

6.Снимите и запишите отсчет по указателю Vмгн (по шкале «0– 60») при включенном канале мгновенной скорости (кнопка «Ско-

рость» утоплена). Сравнить вычисленное в п. 5 значение V с отмеченным значением Vмгн. Если разность V −V ≥ 0,25 + 0,025V , то

140