ГМИ методичка

9.3. Принципиальная схема балансного смесителя (раздел для группы «И»)

Принципиальная схема балансного смесителя изображена на рис. 9.5. Сигнал от струнного генератора используется в балансном смесителе в качестве опорного. Он подается на входной резистор R3, общий для обеих частей смесителя. Сигнал от кварцевого генератора играет роль исследуемого. Перед смесителем он проходит через фазоинверсный каскад – усилитель, собранный на транзисторе VT.

Выходные сигналы с этого усилителя снимаются как с коллектора, так и с эмиттера; они сдвинуты по фазе на 180° и имеют частоту fref. Схема симметрична, поэтому разность напряжений между сигналами удваивается. Это удвоенное напряжение подается через конденсаторы С1 и С2 на второй вход балансного смесителя – на цепь резисторов R1 и R2, одинаковых по значению. Таким образом амплитуды напряжений на резисторах R3 и R1, R3 и R2 оказываются одинаковыми. В результате векторного сложения и вычитания на-

пряжений в верхней (R3–R1–VD1–R4) и в нижней (R3–R2–VD2–R5) частях смесителя на выходе его – резисторах R4 и R5, шунтированных

по высокой частоте емкостями С3 и С4, вырабатывается периодическое низкочастотное напряжение с разностной частотой f.

Рис. 9.5. Принципиальная схема балансного смесителя

111

9.4. Порядок выполнения работы.

Для выполнения работы необходимы:

–струнный микробарометр СМБ-1 (рис. 9.6);

–секундомер;

–барометр;

–калькулятор.

1.Включите прибор в сеть. Проверьте рабочие напряжения источника питания, поставив ручку «проверка питания» в положения 1–3. При этом на всех диапазонах стрелка контрольного прибора должна находиться в пределах закрашенного сектора шкалы

(рис. 9.6).

2.Включите питание счетного пульта, поставив ручку «кварцы» из положения «Выкл.» в положение 1. Через некоторое время начинает работать кварцевый генератор (при этом хорошо слышно характерное гудение). С помощью ручек установите обе шкалы счетчика на нуль. Затем одновременно включите счетчик (тумблер «счетчик») и секундомер (рис. 9.6). Через 100 с выключите счетчик,

Рис. 9.6. Струнный микробарометр СМБ-1

112

снимите его показания и найдите (с точностью до сотых) разност-

Имейте в виду, что если разностная частота оказывается слишком велика (а это зависит от атмосферного давления!), то измерения с соответствующими кварцами оказываются невозможным. В этом легко убедиться – при включении счетчика стрелка перемещается неравномерно, рывками, а частота сигнала воспринимается на слух, как высокая. В этом случае не проводите измерения с первым кварцем, а сразу перейдите ко второму (третьему или четвертому).

Проведите измерения со всеми кварцами (если это окажется возможным). В результате Вы должны получить четыре значения

f4 = f − f 4 , где f – частота струнного генератора, fi – опорные ча-

стоты кварцев.

3. Теперь определите примерно частоту струнного генератора и выберитерабочий кварц. Для этого из всех полученных Вами значений fi выберите два наименьших. Желательно, чтобы оба эти значениясоответствовалиправилу:5Гц< f <50Гц.Далееопределите f путем решения пары уравнений:

Из второго уравнения также следуют два возможных ответа:

Выберите из этих четырех ответов два совпадающих (совпадение должно быть приблизительное, но погрешность не должна превышать одного герца). Это и будет приближенное значение частоты струнного генератора. В качестве рабочего кварца выберите из этой пары тот, который строго отвечает рекомендации 5 Гц < f < 50 Гц.

4. Проделайте с выбранным рабочим кварцем несколько (4–5) экспериментов по определению разностной частоты f. Поскольку

113

теперь Вы знаете приближенное значение частоты струнного генератора f, то Вы знаете и знак, который нужно избрать при решении уравнения (9.6) или (9.7). Определите значение частоты струнного генератора по Вашим экспериментам. Окончательное определение частоты f производится путем осреднения полученных значений.

Внимание! Все указанные расчеты должны быть проведены непосредственно при выполнении экспериментов! Поэтому при выполнении работы рекомендуется иметь при себе калькулятор.

5.По формуле (9.3) определите атмосферное давление, подставив в нее полученное Вами значение f и необходимые константы.

6.Измерьте атмосферное давление другим имеющимся в лаборатории прибором – например, барометром-анероидом. Сравните значение давления, измеренное по струнному микробарометру со значением, измеренным по барометру-анероиду. Если барометр-ане- роид не имеет шкалы, градуированной в гектопаскалях, переведите измеренное значение в миллиметрах в гектопаскали по формуле:

РгПа = 1,33289 Рмм.

7. Выключите прибор из сети и уберите свое рабочее место.

9.5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Краткое пояснение принципа действия струнного микробарометра.

2.Перечень операций, производимых Вами при выполнении работы с указанием результата каждой операции.

3.Таблицу значений Ni – показаний счетчика при экспериментах со всеми четырьмя кварцами (если с каким-либо кварцем измерения не проводились, то указывается причина отказа от из-

мерений), в той же таблице приводятся разностные частоты fi и указывается время работы счетчика в каждом эксперименте.

4.Выбранные значения пары кварцев для определения частоты струнного генератора по уравнениям (9.6, 9.7) с указанием причин выбора именно этих кварцев.

5.Расчетные значения по уравнения (9.6, 9.7) и приближенное значение частоты струнного генератора f. Номер выбранного рабочего кварца с пояснением причин выбора.

6.Результаты экспериментов с рабочим кварцем (они также должны быть оформлены в виде таблицы, как и при выполнении п. 3). Далее указывается осредненная частота струнного генератора.

114

7.Результатрасчетоватмосферногодавленияпоформуле(9.3).

8.Значение атмосферного давления, измеренного другим барометром. Результаты сравнения этих двух значений с указанием причин возможного расхождения.

Все проводимые в работе расчеты должны быть оформлены так, чтобы при проверке работы была бы возможность проверить результаты расчетов – формулы должны быть написаны как в буквенном, так и в числовом виде, все величины и константы должны

быть написаны с указанием размерности.

9.6.Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип действия струнного микробарометра?

2.Что такое сильфон? Какие погрешности свойственны сильфону? Почему в струнном микробарометре практически отсутствует упругий гистерезис сильфона?

3.Как связаны между собой атмосферное давление и частота собственных колебаний струны в струнном генераторе?

4.Почему в струнном генераторе колебания струны являются незатухающими?

5.Приведите схему струнного генератора и поясните ее принцип действия.

6.Что такое положительная и отрицательная обратная связь? Какая связь – положительная или отрицательная – используется

вструнном генераторе? Почему?

7.Какую роль играют магниты в струнном генераторе? Должна ли струна быть выполнена из магнитного материала? Ответ объясните.

8.Что такое шумовой ток? Какую роль он играет в работе струнного генератора?

9.Что такое относительная и абсолютная чувствительность прибора? Почему относительная чувствительность при прямом методе измерения частоты сравнительно невелика?

10.Что такое дифференциальный метод измерения и как он реализуется в струнном микробарометре? Приведите блок-схему, поясняющую реализацию дифференциального метода измерения

вструнном микробарометре.

11.Поясните, почему при применении дифференциального метода измерения относительная чувствительность многократно воз-

растает.

115

12.Почему в кварцевом опорном генераторе струнного микробарометра предусмотрены четыре сменных кварца?

13.Насколько отличаются между собой частоты кварцев опорного генератора? Приведите все частоты применяемых кварцев.

14.Каким правилом следует руководствоваться при выборе частоты рабочего кварца? Почему слишком малая или слишком большая разностная частота являются нежелательными?

15.Почему в экспериментах с различными кварцами могут встретиться ситуации, когда определение разностной частоты с ка- ким-либо кварцем окажется невозможным?

16.Возможна ли такая погодная ситуация, когда можно измерить только одну разностную частоту с одним кварцем, а с остальными тремя – невозможно? Какая это ситуация? Как в этом случае определять частоту струнного генератора?

17.Каким образом переменный синусоидальный ток с частотой f преобразуется в импульсный ток, необходимый для работы электромеханического счетчика?

18.Как следует определять разностную частоту по электромеханическому счетчику?

19.Вы включили питание счетного пульта, поставив ручку «кварцы» в одно из положений. Каким образом вы можете убедиться в том, что кварцевый генератор работает?

20.Каков порядок выбора рабочего кварца в Ваших экспери-

ментах?

21.Каков порядок определения частоты струнного генератора?

22.КакВыбудетеопределятьатмосферноедавлениепоизвестной частоте струнного генератора?

23.Как переводится значение атмосферного давления, измеренного в миллиметрах ртутного столба в гектопаскали?

24.При проведении экспериментов с кварцами Вы получили следующие значения f:

––с первым кварцем – 4,5 Гц; ––со вторым кварцем – 44,5 Гц.

25.Каковачастотаструнногогенераторасогласноэтимизмерениям?Какиерезультатымоглибыбытьполученыприэксперименте

стретьимкварцем?(Приопросепреподавателеммогутбытьзаданы другие численные данные).

Дополнительные вопросы для группы И

26.* Поясните принцип работы балансного смесителя по приведенной принципиальной схеме.

27.* Что такое фазоинверсный каскад и как он работает?

116

9.7.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 136–140.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеоро-

логические измерения». http://gmi.rshu.ru. Тема 4.2.

10. Дистанционная метеорологическая станция М-49. Лабораторная работа № 10

Цель работы – изучить схему метеорологической станции М-49,получитьнавыкиизмеренияметеорологическихвеличинспо- мощью станции.

10.1. Дистанционная метеорологическая станция (ДМС) М-49

Дистанционная метеорологическая станция (ДМС) М-49 предназначена для оперативного измерения скорости и направления ветра, температуры и относительной влажности воздуха. Точность измеренияметеопараметровспомощьюМ-49ниже,чемнасоответ- ствующих специальных приборах (станционные термометры, анеморумбометры, психрометры), поэтому её используют в тех случаях, когда требования к точности измерений невысоки. Несмотря на то, что станция М-49 является довольно старым прибором, (первые образцы станции были изготовлены в сороковых годах XX века), она до сих пор, правда с изменённым дизайном, выпускается промышленностью. Простота эксплуатации, сравнительно несложная схема и достаточно малая стоимость по сравнению с другими аналогичными установками – все эти качества делают станцию конкурентноспособным прибором.

В таблице 10.1 приведены значения диапазона и погрешности измерений метеопараметров с помощью М-49.

117

Таблица 10.1

Технические характеристики М-49

Датчики станции располагаются в зоне, где предполагается измерять метеопараметры – например, на метеоплощадке. Они соединены с пультом управления стандартными кабелями с медными жилами. Длина кабелей составляет несколько десятков метров, но при необходимости они могут быть удлинены до нескольких сотен метров. Датчики стоят из двух блоков, которые размещаются на специальной мачте ПР-57. Датчик температуры и влажности

устанавливается на высоте 2 метра. Он снабжен жалюзями, окрашенными в белый цвет для уменьшения радиационной погрешности. Датчик параметров ветра – флюгарка с винтовым ветроприемником – устанавливается на высоте 7 метров.

Электрическая схема станции приведена на рис. 10.1. В верх-

ней части схемы пунктиром выделены блоки, содержащие датчик параметров ветра (ДПВ) и датчик температуры и влажности (ДТВ). Остальная часть схемы расположена в пульте управления. Всю схему можно разделить на следующие узлы.

1.Выпрямитель, используемый при сетевом питании станции. Схема выпрямителя расположена в левом нижнем углу рис. 10.1.

2.Преобразователь постоянного тока в переменный. Его схема расположена в правом нижнем углу рис. 10.1.

3.Канал измерения скорости ветра.

4.Канал измерения направления ветра.

5.Канал измерения температуры.

6.Канал измерения относительной влажности.

Рассмотрим последовательно все эти блоки.

1. Выпрямитель. Переменное напряжение от сети (220 В) подается через контакты (2) переключателя П1 (рис. 10.1, 10.2) на первичную обмотку трансформатора Тр1. Последовательно с этой обмоткой включен конденсатор С3, который вместе с обмоткой образует колебательный контур. Резонансная частота этого контура составляет 50 Гц, то есть равна частоте сетевого напряжения.

118

Рис. 10.2. Пульт управления М-49

Поэтому при колебаниях амплитуды напряжения в сети амплитуда напряжения в обмотке трансформатора практически не изменяется. Таким образом осуществляется стабилизация напряжения питания. Высокоомный резистор R8 служит для разряда С3 при отключении станции от сети.

Со вторичной обмотки трансформатора ТР1 снимется напряжение около 12 В. Эта обмотка имеет среднюю точку, т. е. практически разделена на две одинаковых части. Средняя точка служит нулем, относительно которого напряжение в крайних точках обмотки колеб­ лет­ ся­ по синусоидальному закону. Если левая точка обмотки имеет положительное напряжение, то диоды VD5–VD6 открыты, а VD7–VD8 – закрыты. Если же положительный полупериод поступает на правую часть обмотки, то наоборот, диоды VD7–VD8 открыты, а VD5–VD6 – закрыты. Таким образом, на конденсатор С2 поступает однополярное напряжение, которое сглаживается конденсатором. В итоге получается постоянное напряжение около 6 В, которое используется для питания станции.

Станция может питаться как от сети, так и от батареи постоянного напряжения 6 В. В зависимости от вида питания переключатель П1 ставится в положение (2) – сетевое питание, или в положение (3) – батарейное питание. В положении (1) на станцию вообще

120