ГМИ методичка

несколько выше оптической оси. Для того, чтобы воспользоваться одним из отражателей, нужно открыть одну из диафрагм, а вторую закрыть. Это делается с помощью оптического коммутатора К2.

Для определения МДВ необходимо измерить яркость зондирующего пучка. Но его яркость зависит не только от МДВ, но и от интенсивности свечения лампы. В процессе измерений лампа может менять свою яркость, следовательно, будет изменяться яркость зондирующего пучка. Для исключения зависимости выходного напряжения от яркости лампы вводится опорный канал. Опорный пучок света проходит через диафрагму Д1 (рис. 13.2-а). Оба пучка – зондирующий и опорный – попадают на клинообразный рассеиватель Р, и далее рассеянный свет идет на катод фотоумножителя.

Для обеспечения очередности поступления на рассеиватель опорного и зондирующего пучков предусмотрен оптический коммутатор К1, закрывающий по очереди диафрагмы Д1 и Д2 (в случае работы с ОД) или Д1 и Д3 (при работе с ОБ). Частота коммутации световых пучков составляет 0,25 Гц. Таким образом, в течение двух секунд на рассеиватель попадает зондирующий пучок, в течение следующих двух секунд – опорный. В свою очередь каждый из пучков модулируется частотой 50 Гц – именно с такой частотой вспыхивает импульсная лампа. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) преобразует световые импульсы в импульсы электрического тока.

Для приведения чувствительности ФИ-1 к чувствительности глаза в оптической схеме предусмотрен корректирующий фильтр (КФ). Защитное стекло (ЗС) предохраняет прибор от воздействия влаги и пыли.

13.3. Электрическая схема фотометра

Блок-схема электрической части фотометра изображена на рис. 13.2-б. Такая же схема изображена на боковой панели измерительного блока прибора ФИ-1, установленного в лаборатории. Схема имеет гнезда, которые соединены с соответствующими точками в реальной схеме.

Электрический сигнал, снимаемый с выхода ФЭУ (гнездо 2, рис.13.2-б),посутиделаподобеноптическомусигналу,поступающе- мунакатодФЭУ.Видэтогосигнала–эпюраегонапряжения–показан нарис.13.3-а.Этоженапряжение,носнимаемоеснагрузкиФЭУпри измерениях днем, изображено на рис.13.3-б. Постоянная составляющаянапряженияU0 обусловленапопаданиемнакатоддневногосвета.

162

Предположим, что пришедший в фотометрический блок зондирующий сигнал ослабился в атмосфере и его интенсивность стала меньше, чем интенсивность опорного сигнала. Тогда в течение двух секунд ФЭУ сформирует 100 импульсов (зондирующих) малой амплитуды, в течение следующих двух секунд – 100 больших импульсов (опорных), и так далее.

Пиковый детектор (ПД), содержащий RC-фильтр, настроен на частоту 50Гц, ПД отфильтрует постоянную составляющуюU0 и продетектирует входной сигнал. На выходе ПД (гнездо 3, рис. 13.2-б) будет напряжение, представляющее собой огибающую входных импульсов, – рис. 13.3-в.

Далее с помощью электронного коммутатора К сигнал расходится по двум каналам: опорному и зондирующему. Электронный коммутатор работает синхронно с оптическим коммутатором К1, изображенным на оптической схеме (рис. 13.2-а).

В фильтр частоты коммутации опорного сигнала (ФЧКоп) напряжение поступает лишь в интервалы времени восприятия опорного сигнала, в фильтр частоты коммутации зондирующего сигнала (ФЧ- Кзонд) – в интервалы времени, соответствующие прохождению зондирующего сигнала. Сигналы, поступающие на входы ФЧКзонд и ФЧКоп (гнезда4и5,рис.13.2-б)имеютвид,изображенныйнарис.13.3,г и д.

Фильтры частоты коммутации представляют собой детектирующие звенья с большим значением постоянной времени, настроенныеначастотукоммутации0,25Гц.Эпюранапряжения,снимаемого

с выходов ФЧК (например ФЧКзонд – гнездо 7 рис. 13.2-б), показана на рис. 13.3-е. Это практически постоянное напряжение с неболь-

шими колебаниями, обусловленными процессами заряда – разряда детектирующей емкости.

Напряжение, снимаемое с выхода ФЧКзонд, как уже говорилось, зависит от прозрачности атмосферы и от яркости источника света. Это обстоятельство не позволяет использовать выходное напряжение ФЧКзонд для измерения прозрачности атмосферы без введения в прибор устройства, которое уничтожает такую неоднозначность.

Идея этого устройства заключается в следующем. Представим себе, что напряжение питания ФЭУ можно регулировать. Тогда, если яркость лампы ослабевает, а следовательно уменьшается амплитуда световых импульсов, приходящих на катод ФЭУ, будем увеличивать напряжение питания, что приведет к увеличению амплитудывыходныхэлектрическихимпульсов.Этаоперациядолжна осуществляться автоматически.

163

Рис. 13.3. Эпюры напряжения в различных точках схемы

Опорный канал схемы как раз и предусмотрен для такого автоматического управления напряжением питания ФЭУ. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода ФЧКоп, зависит только от яркости лампы. Подадим его на один из входов дифференциального усилителя (ДУ), а на второй его вход – постоянное напряжение от источника стабилизированного напряжения (ИСН).

164

Дифференциальный усилитель усиливает разность между ними.Этаразностьможетиметьразныйзнаквзависимостиоттого, какое из напряжений больше. Если напряжения на обоих входах равны, то на выходе ДУ будет ноль.

Напряжение с ДУ управляет блоком питания ФЭУ. Блок питания ФЭУ увеличивает или уменьшает напряжение питания ФЭУ

взависимостиотзнака,поступившегонанегонапряжениясДУ,тем самым увеличивая или уменьшая амплитуду выходных импульсов с нагрузки ФЭУ. Такая цепь отрицательной обратной связи приводит к тому, что напряжение с выхода ФЧКоп всегда равно напряжению, поступающему с ИСН, а если это равенство нарушается, то цепь обратной связи «ДУ – Блок пит. ФЭУ – ФЭУ» его восстанавливает. Тем самым уничтожается зависимость напряжения с ФЧКзонд от яркости лампы, и теперь это напряжение может служить мерой прозрачности атмосферы.

Таким образом, на выходе ФЧКзонд создается напряжение, пропорциональное прозрачности атмосферы. Для преобразования его

внапряжение, пропорциональное дальности видимости, в состав прибора входит еще один отдельный блок – функциональный преобразователь. Его блок-схема изображена на рис. 13.2-в.

Как известно [1], ослабление светового потока на длине пути l

ватмосфере происходит по закону Бугера:

где α – коэффициент ослабления, l – длина пути светового потока в атмосфере, J0 – яркость источника света.

Выражая отсюда J , имеем:

J0

J = e−αl = T l , J0

где Т – коэффициент пропускания слоя атмосферы единичной дли-

ны, т. е. Т = е–a.

Значение МДВ получим из уравнения Кошмидера:

где ε – порог контрастной чувствительности глаза, равный пример-

но 0,03.

165

Принимая значения l и ε постоянными, приходим к выводу, что для перевода значения напряжения U, пропорционального коэффициенту Т, в физическую величину F, пропорциональную МДВ, необходимо осуществить следующее преобразование:

где А = const.

ПреобразовательП(рис.13.2-в)осуществляеттакоепреобразо- вание.Онпредставляетсобоймультивибраторсуправляемойчастотой, причем элементом, задающим частоту мультивибратора, явля-

ется выходное напряжение с ФЧКзонд. При этом частота F мультивибратора связана с напряжением U выражением (13.2). Дальнейшая

задача – измерение частоты – может быть легко решена с помощью стандартных цифровых приборов. Согласующие каскады СК необходимы для согласования входного сопротивления формирователя с выходным сопротивлением преобразователя.

Формирователь Ф выполнен по схеме ждущего мультивибратора, нагруженного на интегрирующую RC-цепочку. Частота импульсов на выходе ждущего мультивибратора равна частоте выходного импульсного сигнала с формирователя, а их амплитуда и длительность являются постоянными величинами. Интегрирование такого сигнала преобразует его в постоянное напряжение, значение которого определяется частотой импульсов, т. е. МДВ. Стрелочный прибор на передней панели функционального преобразователя может показывать прозрачность атмосферы и метеорологическую дальность видимости. Переключатель располагается под крышкой, находящейся на передней панели ПФ.

13.4. Дополнительные сведения для студентов группы «И»

Разберем теперь некоторые особенности принципиальной электрической схемы фотометра.

Узел фотоумножителя (рис. 13.4).

Фотоумножитель ФЭУ-84 питается от источника питания, представляющего собой две последовательно включенных схемы с удвоением напряжения. Питание подается через контакты 7, 20. ДвенадцатьдополнительныхэлектродовФЭУ-динодов–соединены

166

с делителем напряжения R1–R14. Электрический сигнал с анода ФЭУ подается на обмотку трансформатора Т1, который усиливает амплитуду сигнала (его коэффициент передачи 1:4). Вместе с конденсатором С1 трансформатор Т1 пропускает только переменную составляющую сигнала. Таким образом, постоянная составляющая U0 (рис. 13.3-б) не проходит в дальнейшие каскады. С конденсатора С1 импульсы поступают на фильтр C3–R3, настроенный на частоту 50 Гц и далее на сетку лампы катодного повторителя.

Катодный повторитель необходим для согласования нагрузки ФЭУ со входом пикового детектора. Катодный повторитель собран на двух лампах VL1а и VL1б, причем катод VL1а соединен с анодом VL1б. Первоначально верхняя лампа VL1а закрыта. Когда на ее сетку подают импульсы положительной полярности, она приоткрывается.Напряжениенаеекатодевозрастает,анааноде –падает. С анода VL1а инвертированный сигнал через разделительный конденсатор С7 поступает на сетку нижней лампы VL1б. Лампа VL1б призакрывается, ее сопротивление увеличивается и, следовательно, увеличивается напряжение на ее аноде. С катода лампы VL1а снимается усиленный положительный сигнал, который складывается с возрастающим напряжением анода лампы VL1б. Таким образом, происходит резкое усиление амплитуды сигнала. Нагрузка для VL1б меняется в зависимости от величины сигнала и сопротивления VL1а. Такое включение лампы называется каскадом с динамической нагрузкой.

Выходной сигнал через конденсатор С8 поступает на развязывающий трансформатор Т2. Со вторичной обмотки трансформатора Т2 усиленные по амплитуде импульсы подаются на вход пикового детектора через контакты 16 и 11.

На схеме показаны экранированные провода, соединенные с контактами 7, 16, 11. Экраны соединены между собой и с корпусом через емкость «С9 – контакт 19».

Пиковый детектор (рис. 13.5)

Блок пикового детектора кроме собственно детектирующих элементов (VD1, C2, R9) содержит катодные повторители, собранные на левой и правой половинах лампы VL1, и эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VТ1.

С выхода блока фотоумножителя через контакты 16 и 11 сигнал подается на сетку левой половины лампы VL1, работающей в режиме катодного повторителя. Усиленный по мощности сигнал с катода VL1 поступает на базу транзистора VТ1, который еще больше

168

повышает мощность сигнала. Далее через емкость С1 и диод VD1 импульсы напряжения подаются на фильтр С2–R9, который непосредственно и является пиковым детектором. Конденсатор С2 заряжается в течение импульса. В промежутках между импульсами происходит незначительный разряд конденсатора С2 через резистор R9. Значения С2 и R9 выбраны так, что в промежутках между импульсами конденсатор успевает разрядиться не более, чем на 20–25% от исходного напряжения. Таким образом, в течение времени прохождения одного из потоков – опорного или зондирующего – на верхней обкладке С2 формируется практически постоянное напряжение, эпюра которого представлена на рис. 13.3-в.

При изменении амплитуды импульсов, например при переходе от опорного к измерительному пучку света, напряжение на конденсаторе должно резко измениться. В этот момент конденсатор С2 необходимобыстроразрядить,т.е.замкнутьегочерезмалоесопротивление. Эту функцию выполняет транзистор VT2. В обычном положении он закрыт, но в момент смены потоков из генератора частоты коммутации с контакта 46 через резисторR5 на его базу подается короткий импульс напряжения, транзистор открывается и конденсатор быстроразряжаетсячерезVT2 намалоесопротивлениеR8.Начинается новый цикл заряда конденсатора. Продетектированное таким образом напряжение, вид которого представлен на рис. 13.6, с верхней обкладки С2 поступает на выходной катодный повторитель (правая половина VL1). Отрицательные выбросы напряжения обусловлены разрядом конденсатораС2 перед каждой сменой потоков. Усиленный по мощности сигнал снимается с катода правой половины VL1 и подается на коммутаторК (рис.13.2-б), который разделяет напряжение

по двум каналам: измеритель-

170