ГМИ методичка

лампы)ичастотыкоммутации,измеренныеспомощьюосциллографа. Выводы, сделанные в результате сравнения эпюр.

13.7.Контрольные вопросы

1.Для какой цели в приборе ФИ-1 вводится опорный канал?

2.Почему в приборе ФИ-1 используется два отражателя? Как осуществляется переключение режимов работы с одного отражателя на другой?

3.Почему для измерения МДВ в приборе ФИ-1 используется модулированный световой пучок?

4.Какую роль выполняет измерительный блок?

5.Предположим, что в приборе вышел из строя ФЧКоп. Как изменится работа прибора? Будет ли он давать показания?

13.8.Литература

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

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 202–206.

14.Исследование измерителя высоты облаков ИВО-1М.

Лабораторная работа № 14

Цель работы – изучение устройства, конструкции и принципа действия прибора ИВО-1М, методики измерения нижней границы облаков.

Студенты группы «И» изучают ИВО-1М по описанию в полном объеме. Студенты остальных групп не изучают разделы, озаглавленные как дополнительные для студентов группы «И».

14.1. Краткое техническое описание прибора

Наземный импульсный световой измеритель высоты нижней границы облаков предназначен для определения расстояния до

181

нижней границы облачности непосредственно над местом установки аппаратуры.

Диапазон измерений при отсутствии тумана, осадков и сильной дымки – 50–2000 м. Точность измерения зависит от расстояния до нижней границы облачности. Значения погрешности при разных высотах нижней границы облачности приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Значения погрешности ИВО-1М при разных высотах нижней границы облачности

Время, затрачиваемое для проведения одного измерения при нормальных условиях (при нормальных сплошных облаках и аппаратуре, подготовленной к измерениям) – не более 10–15 с.

ПриборИВО-1Мпредставляетсобойсветолокатор.Высотаниж- ней границы облачности определяется по времени прохождения светового зондирующего импульса от передатчика до облака и обратно к приемнику, устанавливаемому рядом с передатчиком. Если время прохождения импульса равно t, то высота определяется по формуле:

где С = 3 · 108 м/с – скорость света.

Конструктивно прибор оформлен в виде трех блоков: передатчика, приемника и пульта управления. Структурная схема прибора приведена на рис. 14.1. Принцип действия поясняется временными диаграммами, представленными на рис. 14.2.

Передатчик обеспечивает излучение мощного слаборасходящегося светового потока зондирующих импульсов, следующих счасто- той20Гц.Зондирующиеимпульсы(рис.14.2-а)генерируютсяспеци- альной импульсной световой лампой ИСШ-100-3, светящаяся зона которой расположена в фокусе параболического зеркала (рис. 14.1).

Отраженные от облака сигналы поступают на вход приемника. Они попадают на параболическое зеркало, и, отражаясь от него, поступают на фотоэлектронный умножитель ФЭУ-1, установленный в фокусе отражателя. На выходе фотоумножителя образуются импульсы напряжения, которые поступают на вход фотоусилителя.

182

Рис. 14.1. Структурная схема ИВО-1М

Усиленный сигнал по кабелю поступает на видеоусилитель, расположенный в пульте управления.

В связи с тем, что интенсивность светового отраженного сигнала зависит от расстояния до облака, от его структуры и других факторов, коэффициент усиления фотоусилителя сделан регулируемым. Он может регулироваться либо вручную, либо с помощью системы автоматической регулировки усиления (АРУ).

Изменение коэффициента усиления осуществляется за счет изменения отрицательного напряжения смещения, подаваемого на лампы фотоусилителя. Регулировка усиления обеспечивает качественный прием сигналов, интенсивность которых может меняться в значительных пределах.

183

Рис. 14.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ИВО-1М

На рис. 14.2-б изображен сигнал на выходе одного из каскадов приемного тракта. В нем, наряду с полезным отраженным сигналом, имеется также шумовая составляющая напряжения. Кроме того, несмотря на предпринимаемые меры защиты приемника от воздействия светового импульса в момент его излучения передатчиком, зондирующие импульсы, отражаясь от близлежащих объектов, попадают в приемный тракт и наблюдаются в сигнале, проходящем

вэтом тракте.

Свыхода видеоусилителя напряжение поступает на пластину вертикального отклонения луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того, на ЭЛТ поступает импульс подсветки и напряжение горизонтального отклонения луча.

184

Для формирования этих напряжений из передатчика на вход ге- нератораподсветкипоступаетимпульсзапуска(рис.14.2-а),выраба- тываемый синхронно с появлением зондирующего импульса. Генератор подсветки вырабатывает положительные импульсы +Uподсв. напряжения, длительность которых равна 13,3 мкс, что соответствует временипрохождениясветовымимпульсомрасстояния4км(2кмдо облака и обратно). Передний фронт формируемых импульсов совпадает с моментом прихода импульса запуска.

Положительный импульс напряжения +Uподсв. (рис. 14.2-в) поступает на управляющий электрод электронно-лучевой трубки. Во время действия этого импульса экран ЭЛТ светится.

Отрицательный импульс напряжения –Uподсв. (рис. 14.2-г) поступает на генератор горизонтальной развертки и генератор калибровочных меток.

Генератор горизонтальной развертки вырабатывает напряжение Uразв. пилообразной формы (рис. 14.2-д), нарастание которого начинается в момент появления отрицательного импульса напряжения и продолжается пока существует импульс –Uподсв.. Поскольку запуск генератора развертки происходит одновременно с посылкой в пространство зондирующего импульса, отраженный сигнал, наблюдаемый на экране ЭЛТ, отстоит тем дальше от начала развертки, чем больше высота нижней границы облака.

Напряжение горизонтальной развертки поступает только на одну отклоняющую пластину ЭЛТ. На вторую пластину подается напряжение, снимаемое с ползунка потенциометра R13. Изменяя напряжение на второй пластине, можно смещать по горизонтали изображение на экране ЭЛТ. Ось потенциометра соединена с указательной стрелкой шкального устройства. Для отсчета расстояния до нижней границы облачности необходимо поворачивать ось потенциометра R13 до тех пор, пока середина переднего фронта отраженного импульса не окажется расположенной на вертикальной линии, проходящей через центр экрана электронно-лучевой трубки.

Генератор калибровочных меток вырабатывает импульсы Uмет. (рис. 14.2-е), первый из которых появляется в момент посылки зондирующего импульса. Калибровочные импульсы генерируются высокостабильным генератором, что позволяет проверить правильность градуировки шкалы высот и, тем самым, точность отсчетов при измерениях.

В состав измерителя высоты нижней границы облаков ИВО-1М входят:

185

–передатчик световых импульсов;

–приемник световых импульсов;

–пульт управления.

Центральным устройством ИВО-1М является пульт управления, в котором размещены не только органы управления всех устройств измерителя, устройства индикации отраженного сигнала и шкальный механизм, но также и часть устройств передающего и приемного тракта.

14.2. Передатчик световых импульсов

Упрощенная (функциональная) схема передатчика световых импульсов представлена на рис. 14.3.

Высоковольтный выпрямитель передатчика размещен в пульте управления.ОнвырабатываетпостоянноенапряжениеUвв >>2,2кВ.

Рассмотрим цикл работы передатчика, начиная с момента, когда завершена генерация очередного светового импульса. После окончаниягенерацииочередногоимпульсавсхемебудутразряжены конденсаторы С55 и С56. Далее напряжение на конденсаторе С55, называемом накопительным, растет за счет протекания тока заряда по

вв– дроссель Др2 – диод VD5 – конденсатор С55 – минус Uвв.

Вэтой цепи диод VD5, пропускающий ток в прямом направлении, открыт и имеет небольшое сопротивление. В результате дроссель Др2 и конденсатор С55 образуют колебательный контур высокой доброт­ ­ности, и изменение тока заряда в этой цепи происходит по синусоидальному закону.

Рост тока iзар. (рис. 14.4-а) сопровождается увеличением энергии магнитного поля, возникающего в сердечнике дросселя Др2.

Вмомент времени t1 ток достигает максимального значения, конденсатор С55 оказывается заряженным до напряжения Uвв; причем, скорость заряда в этот момент максимальна. По мере дальнейшего нарастания напряжения на конденсаторе С55, ток заряда падает и в момент времени 2t1 становится равным нулю. К этому времени напряжение на конденсаторе С55 вырастает до величины, почти равной 4,4 кВ. Если бы колебательный контур был идеальным, т. е. в нем не было потерь энергии, то напряжение оказалось бы равным удвоенному значению напряжения источника питания. В реальной ситуации, поскольку в колебательном контуре имеются потери энергии, значение напряжения будет несколько ниже, чем 2 Uвв.

186

Рис. 14.3. Упрощенная функциональная схема передатчика световых импульсов

Рис. 14.4. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия передатчика световых импульсов

Если бы в цепи заряда не было бы нелинейного элемента – диода VD5, то с момента 2t1 ток стал бы отрицательным (изменил бы направление), и начался разряд конденсатора С55. Однако ток отрицательным не становится, в обратную сторону диод VD5 ток не проводит. Поэтому напряжение на конденсаторе С55, начиная с момента 2t1 перестает изменяться (рис. 14.4-б).

Рассмотрим процесс формирования светового импульса лампой VL (рис. 14.3). Световой импульс возникает при протекании сильного тока (измеряемого десятками ампер) по ионизированному каналу, образующемуся между электродами газонаполненной лампы. Напряжение на заряженном конденсаторе С55, присоединенном к лампе VL, недостаточно для пробоя газового промежутка между электродами лампы. Начальная ионизация в газоразрядной лампе VL возникает за счет пробоя газового промежутка между электродом поджига и одним из основных электродов лампы. Для пробоя этого газового промежутка необходимо, чтобы напряжение на электроде поджига достигло величины Uподж, зависящей от напряжения между основными электродами лампы (в данной схеме оно равно напряжению на конденсаторе С55). Для напряжения UС55 = 4,4 кВ напряжение поджига Uподж. = 1,6 – 1,8 кВ. Напряжение поджига формируется от высоковольтного выпрямителя через переменный резистор R1. Напряжение на конденсаторе С56 изменяется по экспоненциальному закону (рис. 14.4-в) и стремится к установившемуся значению, равному Uвв (2,2 кВ), которое больше напряжения поджига. В момент t2 возрастающее напряжение на конденсаторе С56 достигает напряжения поджига Uподж. и происходит генерация светового импульса. Изменяя величину сопротивления R1 («Частота»), можно менять скорость заряда конденсатора С56 и, таким образом, частоту посылок световых импульсов.

Импульс тока разряда конденсатора С55 протекает через лампу VL и проволочную перемычку а–в. Импульс тока разряда С55 очень велик, и поэтому даже на небольшом сопротивлении Rа-в проволочной перемычки возникает достаточно большое импульсное напряжение, называемое импульсом запуска (рис. 14.4-г). Импульс запуска поступает по кабелю связи из передатчика в пульт управления.

Свечение газового промежутка продолжается до тех пор, пока не произойдет практически полный разряд конденсатора С55. КонденсаторС56 заэтовремятакжеуспеваетполностьюразрядиться,так как величина его емкости существенно меньше (в 10 раз) емкости

188

конденсатора С55, а цепи их разряда, проводящие ток газовые промежутки, имеют практически одинаковые сопротивления.

Светящийся промежуток импульсной лампы 1 находится в фокусе параболического отражателя, и излученный световой импульс направляется вертикально вверх.

Дополнительные сведения для студентов гр. «И»

Полная принципиальная схема передатчика представлена на рис. 14.5. Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора Т3 при включенном тумблере S2 (призамкнутыхконтактах1–3,2–4)ивключенномтумблереS1(при замкнутых контактах 1–5). Тумблер S2 коммутирует сетевое напряжение также и к другим трансформаторам узлов питания ИВО-1М. Тумблер S1 включает трансформатор Т3 только на время измерения высоты нижней границы облачности (на 10–15 с).

Тумблер S3 управляет положением крышек приемника и передатчика. В положении «открыто» сетевое напряжение продолжает черезконтакты2–4поступатьвсхему,дажееслитумблерS2выклю- чен.Этопредотвращаетнеправильныедействияоператораиисключает возможность отключение аппаратуры с открытыми крышками приемника и передатчика.

На вторичной обмотке трансформатора возникает переменное высокое напряжение, которое поступает на выпрямитель, работающий в режиме удвоения напряжения. Рассмотрим принцип действия этого выпрямителя.

Пусть в первый полупериод на нижнем выводе 21 вторичной обмотки трансформатора Т3 будет положительная полуволна напряжения, а на верхнем – 15-ом – отрицательная. Тогда от нижнего вывода будет протекать ток через открытый диод VD8 и конденсатор С67 (а параллельно – слабый ток через высокоомный резистор R62) к верхнему выводу 15.

В результате в момент, когда напряжение на выводах Т3 достигнет максимального значения, конденсатор С67 окажется заряженным доамплитудногозначениянапряженияUT3max.Еголеваяобкладкабудет иметь отрицательный потенциал, а правая– положительный. Черезполовинупериодаполярностьнапряжениянавторичнойобмотке трансформатор изменится на противоположную; в этом полупериоде к напряжению на вторичной обмотке трансформатора Т3 будет добавляться напряжение, образовавшееся в предыдущий полупериод на конденсаторе С67.

189