29

Министерство образования

Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экспериментальной физики атмосферы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОМЕТРА ФИ-1

по дисциплине: «Гидрометеорологические измерения»

Направление – гидрометеорология

Санкт-Петербург

2000

УДК 551.508.

Лабораторная работа № 13 «Исследование импульсного фотометра ФИ-1» по дисциплине «Гидрометеорологические измерения».- СПб.: РГГМУ, 2000, 28 с.

Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения и перечень практических операций, выполняемых студентами. Отдельно выделены разделы, изучение которых обязательно только для студентов группы «И», специализирующейся по гидрометеорологическим измерениям.

Составили: Бриедис Т.Е., ассистент,

Григоров Н.О., доцент,

Глушковский Б.И., зав.лаб.,

Саенко А.Г., инж.

Редактор: Кузнецов А.Д., зав. каф.

ЭФА, проф.

 Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2000 г.

Целью данной работы является изучение оптической и электронной схем импульсного фотометра ФИ-1, предназначенного для наземных измерений метеорологической дальности видимости (МДВ) и прозрачности атмосферы.

Основные пояснения

Фотометр ФИ-1 используется как отдельный прибор, так и в составе комплексных метеорологических станций (например, станции КРАМС).

Принцип действия прибора следующий. Свет от источника – импульсной газоразрядной лампы – собирается оптической системой в слаборасходящийся пучок и зондирует участок атмосферы от фотометрического блока до отражателя. Отраженный пучок улавливается фотометрическим блоком. Его интенсивность зависит от прозрачности атмосферы (или от МДВ). Фотометрический блок измеряет интенсивность зондирующего пучка и таким образом определяется дальность видимости.

Для расширения диапазона измерений прибор снабжен двумя отражателями. Ближний отражатель устанавливается на расстоянии 20 м от фотометрического блока и используется при малых значениях МДВ – от 50 до 600 м; дальний отражатель устанавливается на расстоянии 100 м и используется при значениях МДВ от 240 до 6000 м. Таким образом, диапазон измерения МДВ с помощью ФИ-1 составляет от 50 до 6000 м.

Переход от режима работы с одним отражателем к режиму работы с другим отражателем осуществляется автоматически – при уменьшении МДВ ниже 300 м прибор переключается с дальнего отражателя на ближний, и при увеличении МДВ выше 600 м – с ближнего на дальний. Предусмотрена также возможность ручного переключения при любом значении МДВ.

ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ФОТОМЕТРА

Оптическая схема фотометра изображена на рис. 2.а. Источником света является импульсная газоразрядная лампа (ИЛ). Лампа вспыхивает с частотой 50 Гц. Она формирует два пучка света – зондирующий и опорный. Зондирующий пучок проходит через объектив. О, который превращает его в слаборасходящийся. Таким образом, зондирующий пучок попадает на оба отражателя – дальний (ОД) и ближний (ОБ).

Дальний отражатель (ОД) представляет систему из пяти триппель-призм. Угол при вершине призмы равен 90 (рис. 1). Основным свойством каждой триппель-призмы является отражение света по направлении к источнику.

Таким образом, небольшое отклонение отражателя от заданного направления не оказывает влияния на работу прибора.

Ближний отражатель (ОБ) представляет собой систему из

а)

б)

Рис. 1

а) триппель-призменный элемент дальнего отражателя (ОД)

б) оптическая схема ближнего отражателя (ОБ)

объектива и вогнутого зеркала (см. рис. 1). Изменяя расстояние L между зеркалом и линзой объектива, можно изменять угол расхождения отраженного пучка света, а значит, и яркость пучка.

Дальний отражатель располагается на оптической оси прибора. Ближний отражатель смещен относительно оптической оси вниз и вправо. Благодаря этому, отраженные от ОД и ОБ пучки света идут по различным траекториям.

Рис. 2 Схема импульсного фотометра ФИ-1.

а – Оптическая схема ФИ-1: ИЛ – импульсная газоразрядная лампа;О – объектив;ЗС – защитное стекло;ОБ,ОД– отражатели (ближний и дальний);З– сферическое зеркало;Д₁,Д₂,Д₃– диафрагмы;К₁,К₂– оптические коммутаторы,Р– клинообразный рассеиватель,КФ– корректирующий фильтр.

б - Блок-схема электрической части ФИ-1: ФЭУ– фотоэлектронный умножитель;ПД– пиковый детектор; К – электронный коммутатор;ФЧК_зонд,ФЧК_оп– фильтры частоты коммутации (зондирующий и опорный), ИСН – источник стабилизированного напряжения, Блок пит. ФЭУ – блок регулирования напряжения питанияФЭУ.

в - Блок-схема функционального преобразователя: П- преобразователь,СК- согласующие каскады,Ф- формирователь,БР- блок релейный.

Оба световых пучка поступают на вогнутое зеркало (З) (см. рис. 2.а). Световой пучок от дальнего отражателя проходит через диафрагму Д₂, расположенную на оптической оси прибора, а пучок от ближнего отражателя – через диафрагму Д₃, расположенную 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 (см. рис. 1.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.