Устройство термостабилизации
термоизолирующего контейнера
радиометра водяного пара
©
ИПА РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Описана опытная разработка лаборатории антенн и антенных измерений ИПА РАН. Устройство термостабилизации термоизолирующего контейнера радиометра водяного пара выполняет стабилизацию температур внутреннего объема термоизолирующего контейнера РВП и рупорно-линзовых антенн РВП с требуемой точностью, а также выполняет сбор данных с датчика дождя РВП и реализует ликвидацию последствий воздействия осадков на РВП. Приведена зависимость температур объектов термостабилизации от температуры окружающей среды.
Ключевые слова: радиометр водяного пара, термостабилизация, температурный режим, атмосферная задержка.
Назначение
Устройство термостабилизации термоизолирующего контейнера (ТК) предназначено для поддержания рабочего режима измерительных радиометрических блоков РВП. Влияние температурных изменений среды на относительную нестабильность коэффициента усиления СВЧ-блоков РВП оценивается значением (2…5)·10–4 1/°С [1]. Таким образом, калибровочный сигнал зависит от физического состояния нагрузок, в основном, от температуры. Для стабилизации температурного режима РВП необходимо обеспечить стабильную температуру (30 ± 1) єС рупорно-линзовых антенн (РЛА) РВП и внутреннего объема термоизолирующего контейнера (ТК) РВП. Необходимо также исключить возможные последствия воздействия осадков на РВП.
Состав
Устройство термостабилизации ТК - это следящее устройство, которое включает в себя центральный управляющий элемент, исполнительные устройства, устройства обратной связи и преобразователь интерфейсов.
Рис. 1. Взаимодействие модулей устройства термостабилизации ТК
Центральным управляющим элементом является 8-битный микроконтроллер ATmega2560. Исполнительные устройства включают в себя: термоэлектрический модуль (ТЭМ) 120-24-АА, греющие кабели СНО 10Ч0.25 и вентилятор. Элементы обратной связи представлены различными датчиками, которые позволяют устройству термостабилизации ТК работать в следящем режиме. Устройства обратной связи включают в себя: датчик дождя Vaisala DRD11A, датчики температуры на микросхемах ADT7301 и датчики тока ACS712. Для связи с компьютером используется преобразователь интерфейсов, созданный с помощью микросхемы ADM2687. Взаимосвязь перечисленных модулей представлена на функциональной схеме устройства (рис.1).
Принцип действия
Для термостабилизации внутреннего объёма РВП, устройство термостабилизации ТК использует термоэлектрические модули (ТЭМ) 120-24-АА, которые представляют из себя сборку из радиаторов и модулей Пельтье [3]. При протекании тока прямой полярности через ТЭМ, происходит перераспределение тепла с «холодной» стороны на «горячую». Таким образом, выполняется перекачивание тепла из окружающей среды во внутренний объём ТК РВП. При протекании тока обратной полярности, тепло, наоборот, переносится с «горячей» стороны ТЕМ на «холодную» и происходит выкачивание тепла из внутреннего объёма ТК РВП. Микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал. Регулировка мощности переносимого тепла выполняется с помощью ШИМ-модуляции управляющего сигнала. Длительность импульса определяется ПИ-алгоритмом, в соответствии с разницей фактической температуры, измеренной датчиком, с заданной опорной температурой. Возможность подавать сигнал различной полярности реализована с помощью транзисторного моста. Также транзисторный мост решает задачу по усилению управляющего маломощного сигнала до величины, требуемой нагрузкой.
Термостабилизация рупорно-линзовых антенн РВП выполняется с помощью греющих кабелей СНО 10Ч0.25, которые, при протекании по ним электрического тока выделяют тепло. С помощью таких же греющих кабелей выполняется подогрев зеркала РВП. Мощность подогрева также регулируется ШИМ-модуляцией управляющего сигнала.
Для обдува передней панели ТК РВП используется вентилятор, мощностью 8 Вт. Обдув передней панели и подогрев зеркала РВП, применяются для ликвидации возможных последствий осадков (капели дождя, снег).
Датчики температуры, также как и датчик осадков и датчики тока, включены в цепь обратной связи. В соответствии с измеренной датчиками температурой, микроконтроллером генерируется управляющий сигнал, обеспечивающий термостабилизацию внутреннего объёма ТК РВП, и РЛА. Также микроконтроллер постоянно получает данные с датчика осадков DRD11A [2]. Датчик осадков передаёт микроконтроллеру информацию о наличии/отсутствии осадков и их интенсивности. Для защиты устройств от перегрева, в цепи питания исполнительных устройств присутствуют датчики тока. Если потребляемый исполнительными устройствами ток превышает максимально допустимое значение – устройство термостабилизации ТК, с помощью э/м реле, отключает исполнительное устройство от питания.
Управляющий компьютер РВП ведёт обмен данными со своими периферийными устройствами по интерфейсу RS-485. Для обеспечения связи УТТК с управляющим компьютером РВП, используется микросхема – преобразователь интерфейсов, ADM2687. Она преобразует стандартный, для микроконтроллеров, интерфейс USART, в интерфейс RS-485.
Результаты
Результаты испытаний отражены на рисунке 2. В соответствии с ними, был сделан вывод о том, что УТТК успешно обеспечивает термостабилизацию рупорно-линзовых антенн и внутреннего объема термоизолирующего контейнера РВП в диапазоне температур окружающей среды от –50 до +30 °С с точностью ±1°С.
Подогрев зеркала РВП, а также работа вентилятора передней панели, успешно ликвидируют последствия воздействия осадков на РВП (подогрев испаряет капли дождя и снег с зеркала, а вентилятор сдувает капли и снег с передней панели). Функция аварийного отключения цепи питания от исполнительных устройств, подтвердила свою работоспособность.
На основании того, что полученные результаты испытаний удовлетворяют техническому заданию на РВП, УТТК был включен в состав опытного образца РВП, а впоследствии и в состав серийного образца. В данный момент УТТК работает в составе РВП, расположенных во всех обсерваториях РСДБ-комплекса «Квазар-КВО».
Рис. 2. График зависимости температуры объектов термостабилизации
от температуры окружающей среды
Литература
1. , и др. Высокостабильный двухканальный радиометр водяного пара для измерений тропосферной задержки в реальном времени / , , // Труды ИПА РАН. Ї СПб.; Наука, 2013. Ї Вып. 27. Ї С. 210Ї216.;
2. URL: http://www. /en/products/rainandprecipitationsensors/Pages/
DRD11A. aspx (23.10.2013).;
3. URL: http:///assets/dir2attz/Spec_120-24-AA. pdf.
Termostabilisation Device
of Water Vapor Radiometer’s Termoisolated Case
A. S. Plotnikov
This article describes an experimental workout of IAA RAS’s laboratory of antennas and antenna measurements. The described device was developed for providing stable temperature conditions of such of the water vapor radiometer’s (WVR) parts as horn lens antennas and internal volume of WVR’s termoisolated case. In addition, the termostabilisation device’s ability of rain measuring is described. At last, the device’s system of weather’s precipitations liquidation is provided in this article.
Keywords: WVR, rediometer, termostabilisation, vapor, temperature mode, atmospheric delay.
