Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Необыкновенный

Нкор

коробка

α

Обыкновенный

Окор. Оф.

Рис. 7.13. Пояснение работыприбора М-53а

рыедаютсяв специальныхтаблицах. Этот методможноиспользоватьтолько в дневное время. Точность измерения МДВ с его помощью достаточно низкая, так как, во-первых, величина отсчёта зависит от остроты зрения наблюдателя, во-вторых, отражающаяспособность фона меняетсявтечение суток, она зависит от освещённости, от погоды и пр. Тем не менее, прибор М-53а используется, поскольку является достаточно дешевым и не требует сложного обслуживания.

7.5. Регистратор дальности видимости РДВ-3

Регистратор дальности видимости РДВ-3 предназначен для измерения МДВ в любое время суток в пределах от 200 до 6000 м. Он состоит из двух блоков: фотометрического блока и отражателя, который устанавливается в 100 м от фотометрического блока. Фотометрический блок включает в себя источник света (обычная лампа накаливания), свет от которой направляетсякотражателю. Отражённый пучоксвета несет информацию обМДВ. Какужебылосказано,такиеприборыполучилиназваниетранс-

миссометров.

Принцип действия трансмиссометра РДВ-3 следующий. В фотометрическом блокеформируются два пучка света от одного источника. Один из них, который проходит 100-метровое расстояние до отражателя и обратно, назовем зондирующим пучком. Другой пучок проходит только черезоптическиеэлементывнутриприбораирегулируетсяизмерительной диафрагмой. Он называется опорным пучком. Опорный пучок автоматически регулируется диафрагмой так, чтобы его яркость была бы равна яркости зондирующего пучка. Следовательно, если диафрагма мала, то

201

яркость опорногопучка такжемала,а посколькуона всегда равна яркости зондирующего пучка, тозондирующий пучоктакжемал. Следовательно, метеорологическая дальность видимости также мала. Рассуждая так, мы видим, что величина диафрагмы определяется дальностью видимости. Диафрагма соединена со шкалой, которая показывает значение МДВ.

Рассмотрим, как работает эта автоматическая система. Для этого прежде всего рассмотрим оптическую схему прибора, изображенную на рис. 7.14. Пучоксвета от лампы Л преобразуется объективом О1 в параллельный.ПолупрозрачнаяпластинаПл делит пучокнадва:зондирующий и опорный. Зондирующий пучок проходит через объектив О2, который фокусирует его в нижней части диска-модулятора ДМ, показанного на рисунке в профиль. Диск-модулятор имеет форму, показанную на рис. 7.15.Он вращаетсямотором М.Зондирующий пучокпроходит черезнижнюю часть диска-модулятора, опорный пучок - через верхнюю часть.

П

M

ОТР

УК

ВЗ

Пл

100 м.

Рис.7.14. Оптическаясхема РДВ-3

Устройство диска-модулятора таково, чтокогда зондирующий пучок прерываетсямелкими зубцами диска,опорныйпучоквообщенепроходит, так как его непропускает большой зубец. И, наоборот, когда опорный пучокпрерывается,зондирующийнепроходит.Такимобразом,зондирующий

202

и опорный пучки проходят по очереди с частотой 150 Гц. То обстоятельство, что в РДВ-3 применяются

модулированные(прерывистые) пучки света с частотой модуляции 1800 Гц, позволяют выделить полезныйсигналнафонепомех,например,дневного света. Помехи также воспринимаются фотоумножителем, но резонансный усилитель сигнала пропускает только сигнал счастотой 1800 Гц. Поэтому

прибором РДВ-3 можно пользоваться как в ночное

время, так и днем. Рис.7.15. После прохождения диска-модулятора зонди- Диск-фотомодулятор

рующий пучок проходит через объектив О3 и превращается в слаборасходящийся(рис. 7.14). ЧереззащитноестеклоЗС он выходит в атмосферу и отражается от отражателя ОТР. Возвращаясь в фотометрический блок, зондирующий пучокфокусируется вогнутым зеркалом ВЗ на катодфотоумножителя ФЭУ.

Опорныйпучокпроходит через установочныеоптическиеклиньяУК. Яркость опорного пучка может изменяться с помощью этих клиньев, что необходимо для регулировки прибора. Затем призма П поворачивает опорный пучокподуглом 900, послечегоон проходит черезизмерительную диафрагму Д. Диафрагма управляется реверсивным двигателем через редуктор. Затем опорный пучок проходит через верхнюю часть дискамодулятора и направляется на ФЭУ. Как опорный, так и зондирующий пучки проходят через корректирующий фильтр КФ и молочное стекло МС. Корректирующий фильтр пропускает только видимые лучи, выравнивая спектральный состав света со спектральной чувствительностью глаза. Молочноестекло рассеивает свет повсей поверхности фотокатода. Фотоэлектронныйумножитель(ФЭУ)преобразуетсветовойсигнал вэлектрический (глава 1, раздел 1.10).

Для того чтобы понять прохождение электрического сигнала, воспользуемся блок-схемой, изображенной на рис. 7.16. Чтобы представить себепреобразованиясигнала отдельными блоками схемы, будем рисовать эпюры напряжений сигнала в точках схемы, обозначенных буквами а, b, с и d (рис. 7.16). Оптический сигнал приходящий на фотоумножитель, имеет вид, показанныйнарис. 7.17,а.Представимсебе, чтозондирующий пучокбольшеопорногонапример, врезультатерассеиваниятумана. Докажем,чтоэтовызовет изменениедиафрагмыи выравниваниепучков.Фотоумножитель преобразует сигнал в электрический. Затем он усиливается

203

РДВ-3 очень прост в обращении. Однако он необеспечивает измерения МДВ менее 200 м. Поэтому в настоящее время РДВ-3 заменяется более современным прибором - импульсным фотометром ФИ -1 и его последующими модификациями ФИ-2 и ФИ-3.

7.6. Импульсный фотометр ФИ-1

Так же как и РДВ-3, импульсный фотометр работает по принципу трансмиссометров. Но в отличие от РДВ-3 пределы измерения ФИ-1 со- ставляют50-6000м.Такимобразом,нижнийпределизмерениязначитель- нониже, чем в РДВ-3. Импульсныйфотометр ФИ-1допускает проведение измерений в довольноплотном тумане. Этодостигаетсяза счёт применения двух отражателей вместо одного.

Дальний отражатель (ОД) установлен на расстоянии 100 м от фотометрического блока, ближний отражатель (ОБ) на расстоянии 20 м. Дальний отражатель применяется при сравнительно высокой МДВ от 400 до6000 м, а ближний отражатель -при дальности видимости от 50 до 1500 м. Это обеспечивает получение достаточно сильного светового сигнала дажепри малой МДВ.

Принцип действия ФИ-1 несколько отличается от РДВ-3. Опорный пучок в приборе ФИ-1 не регулируется. Оптическая схема ФИ-1 более проста (рис. 7.18). Импульсная газоразрядная лампа ИЛ генерирует световыеимпульсы счастотой 50 Гц. Зондирующийпучокпроходитчерез объектив О, который превращает егов слаборасходящийся, и череззащитноестекло ЗС выходит в атмосферу. Оба отражателя ОДи ОБ освещаются световым пучком. Но ОД располагается на оптической оси прибора, а ОБ смещён вниз относительно оси.

Благодаряэтомуотраженныепучки света проходят поразным траекториям: свет от ОД, сфокусированный вогнутым зеркалом ВЗ, проходит через диафрагму Д1, а световой пучок от ОБ через Д2. Таким образом, чтобы воспользоваться только одним из отражателей, необходимо закрыть одну из диафрагм и открыть другую. Это делает коммутатор К1. Через диафрагму Д1 или Д2 световой пучок попадает на клинообразный рассеиватель КР.

Опорный пучок света проходит от импульсной лампы прямо на клинообразный рассеиватель черездиафрагмуД3. Очерёдность прохождения пучков регулируется оптическим коммутатором К2, периодически открывающим путь длязондирующего пучка (Д1 или Д2)и дляопорного (через

206

следить за преобразованием сигнала, изучая эпюры напряжений в отдельных точках схемы (а, b, с и d). Эпюры показаны на рис. 7.20.

J

a)

Оп. Зонд. Оп. Зонд. Оп. Зонд. Оп. τ

U

b)

τ

U

c)

τ

U

d)

τ

Рис.7.20. Эпюры напряжениядляФИ-1

Итак, световой сигнал, приходящий на ФЭУ, имеет вид, показанный нарис. 7.20,а.Допустим,чтозондирующийпучоксветаменьшеопорного. Сигнал с фотоумножителя подвергается детектированию. Детектор Д представляет собой схему с RC-цепочкой. Постоянная времени цепочки выбрана такой, чтобы конденсатор не успевал бы разряжаться в промежутке между импульсами частотой 50 Гц, но успевал бы быстро разряжаться или заряжаться при сменеамплитуды импульсов. Тогда сигнал после де-

208

тектора будет иметь вид, изображенный на рис. 7.20, b. Можно сказать, что детектор даёт огибающую входного сигнала. Амплитуда импульсов зондирующегосигналаопределяетсявеличиной МДВияркостьюимпульснойлампы,амплитудаопорныхимпульсовтолькояркостьюлампы.Далее импульсы разделяются по двум каналам. Электрический коммутатор (ключ)К работает синхроннос оптическим коммутатором и переключает сигналы на два фильтрачастотыкоммутации(ФЧК):опорногоизондирующегосигнала. Оба фильтра имеют одинаковыесхемы, схожиеспиковым детектором, но постоянная времени фильтров гораздо больше. Поэтомуесли на входефильтровсигнал представляет собойширокиеимпульсы с частотой 1 Гц (рис. 7.20, с), то сигнал на выходе фильтров будет иметь почти постоянный уровень с малыми колебаниями (рис. 7.20, d).

Рассмотрим теперь, от каких параметров зависит уровень сигнала на выходе каждого из фильтров. Сигнал (т.е. постоянное напряжение) на

выходе ФЧКзонд зависит от МДВ и от яркости лампы. Если бы эта зависимость была бы однозначной только от МДВ, то для измерения МДВ

было бы достаточно просто измерить это напряжение. Но так как эта зависимостьне однозначна, то дляизмеренияМДВнеобходимоизбавиться от неоднозначности, для чего в схеме предусмотрена обратная связь (верхняя часть рис. 7.19).

Очевидно, напряжение на выходе ФЧКоп зависит только от яркости лампы. Оно подается на дифференциальный усилитель (ДУ). На второй входДУ подается строгопостоянноеопорноенапряжение(40 В)систочника опорного напряжения (ИОН). Дифференциальный усилитель усиливаетразностьмеждуэтими напряжениями.Взависимостиотсоотношения между ними эта разность может иметь разныезнаки. Усиленная разность напряжений поступает на регулируемый выпрямитель (РВ), который в зависимости от знака разности увеличивает или уменьшает напряжениепитанияФЭУ. Соответственно, изменяетсячувствительностьФЭУ, изменяется амплитуда сигнала на его выходе и зависимость выходного сигнала ФЧКзонд от МДВ становится однозначной.

Поясним этона примере. Допустим, яркость импульсной лампы увеличилась, и всесигналы, изображенныена рис. 7.20, теперь имеют большую амплитуду. Соответственно увеличился сигнал на выходеФЧКоп и появилась положительная разность сигналов с ФЧКоп и ИОН.

Подчиняясьэтому(положительному)сигналу-команде,регулируемый выпрямитель уменьшает напряжение питания ФЭУ и его чувствительностьуменьшается.Соответственноуменьшаютсявсесигналынарис.7.20.

209

Когда разность сигналов с ФЧКоп и ИОН становится равной нулю, регулируемый выпрямитель прекращает уменьшать напряжениепитания ФЭУ. Следовательно, в результате действия такой обратной связи напряжение с ФЧКоп будет всегда равно напряжению с ИОН (т.е. 40 В), а напряжениена выходеФЧКзонд теперь будет определятьсятольковеличиной МДВ. Оно измеряется стрелочным прибором и переводится в значение МДВпоспециальнымтаблицам,помещеннымнапереднейпанелиприбора.

Заметим, что прибор ФИ-1 представляет собой ещё один пример следящей системы. В качествесигнала разбаланса здесь выступает разность напряженийсФЧКоп инапряжениясИОН.Дляудобстваизмеренияприбор комплектуется цифровым вольтметром. Напряжение, подаваемоена вольтметр, приводится к такому уровню, что оноравно значениюМДВ в метрах (напряжение измеряется с точностью до тысячных долей вольта).

Переключение диапазонов измерения, т.е. переход с ОД на ОБ и обратно осуществляется автоматически при понижении (или повышении) выходногонапряжения, связанногосМДВ, дозначения0,4 В(400 м)или 1,6 В (1600 м). Имеющийся в комплекте самописец позволяет вести запись изменения МДВ со временем.

В настоящее время в России, в ГГО им. А. И. Воейкова разработаны приборы ФИ-2 и ФИ-3 (рис. 7.21), представляющие собой импульсный фотометр нового поколения. ФИ-3 имеет пределы измерения от 60 до 8000 м, кроме того, значительно повышена надежность его работы.

Рис.7.21.Импульсный фотометрФИ-3

7.7. Дистанционная метеорологическая станция М-49

Дистанционная метеорологическая станция (ДМС) М-49 (рис. 7.22) предназначена дляоперативногоизмеренияскоростии направленияветра, температуры и относительной влажности воздуха.

210