Электрическая схема фотометра

Блок-схема электрической части фотометра изображена на рис. 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 на рис.2.б), по сути дела подобен оптическому сигналу, поступающему на катод ФЭУ. Вид этого сигнала – эпюра его напряжения – показан на рис. 3 а. Это же напряжение, но снимаемое с нагрузки ФЭУ при измерениях днем, изображено на рис. 3 б. Постоянная составляющая напряжения U₀ обусловлена попаданием на катод дневного света.

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 50 Гц, ПД отфильтрует постоянную составляющую U₀ и продетектирует входной сигнал. На выходе ПД (гнездо 3 на рис.2.б) будет напряжение, представляющее собой огибающую входных импульсов, - рис. 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 (см. рис. 2.а).

Рис. 3 Эпюры напряжения в различных точках схемы

В фильтр частоты коммутации опорного сигнала (ФЧК_оп) напряжение поступает лишь в интервалы времени восприятия опорного сигнала, в фильтр частоты коммутации зондирующего сигнала (ФЧК_зонд) – в интервалы времени, соответствующие прохождению зондирующего сигнала. Сигналы, поступающие на входы ФЧК_зонд и ФЧК_оп (гнезда 4 и 5 на рис.2.б) имеют вид, изображенный на рис. 3 г и 3 д.

Фильтры частоты коммутации представляют собой детектирующие звенья с большим значением постоянной времени, настроенные на частоту коммутации 0,25 Гц. Эпюра напряжения, снимаемого с выходов ФЧК (например ФЧК_зонд - гнездо 7 на рис.2.б), показана на рис. 3.е. Это практически постоянное напряжение с небольшими колебаниями, обусловленными процессами заряда – разряда детектирующей емкости.

Напряжение, снимаемое с выхода ФЧК_зонд, как уже говорилось, зависит от прозрачности атмосферы и от яркости источника света. Это обстоятельство не позволяет использовать выходное напряжение ФЧК_зонд 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 амплитуды выходных электрических импульсов. Эта операция должна осуществляться автоматически.

Опорный канал схемы как раз и предусмотрен для такого автоматического управления напряжением питания ФЭУ. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода ФЧК_оп, 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).

Дифференциальный усилитель усиливает разность между ними. Эта разность может иметь разный знак в зависимости от того, 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 в зависимости от знака поступившего на него напряжения с ДУ, тем самым увеличивая или уменьшая амплитуду выходных импульсов с нагрузки ФЭУ. Такая цепь отрицательной обратной связи приводит к тому, что напряжение с выхода ФЧК_оп всегда равно напряжению, поступающему с ИСН, а если это равенство нарушается, то цепь обратной связи через ДУ – Блок пит. ФЭУ – ФЭУ – его восстанавливает. Тем самым, уничтожается зависимость напряжения с ФЧК_зонд от яркости лампы, и теперь это напряжение может служить мерой прозрачности атмосферы.

Таким образом, на выходе ФЧК_зонд создается напряжение, пропорциональное прозрачности атмосферы. Для преобразования его в напряжение, пропорциональное дальности видимости, в состав прибора входит еще один отдельный блок - функциональный преобразователь. Его блок-схема изображена на рис. 2.в.

Как известно (см., например, [1]), ослабление светового потока на длине пути l в атмосфере происходит по закону Бугера:

(1)

где  - коэффициент ослабления,

l – длина пути светового потока в атмосфере,

J₀ – яркость источника света.

Выражая отсюда , имеем:

,

где Т – коэффициент пропускания слоя атмосферы единичной длины, т.е.

Т = е ^-.

Значение МДВ получим из уравнения Кошмидера:

где  - порог контрастной чувствительности глаза, равный примерно 0,03.

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

(2)

где А = const.

Преобразователь П (см. рис. 2.в) осуществляет такое преобразование. Он представляет собой мультивибратор с управляемой частотой, причем элементом, задающим частоту мультивибратора, является выходное напряжение с ФЧК_зонд . При этом частота F мультивибратора связана с напряжением U выражением (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.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И»

Разберем теперь некоторые особенности принципиальной электрической схемы фотометра.

I. Узел фотоумножителя (рис. 4).

Фотоумножитель ФЭУ-84 питается от источника питания, представляющего собой две последовательно включенных схемы с удвоением напряжения. Питание подается через контакты 7, 20. Двенадцать дополнительных электродов ФЭУ– динодов – соединены 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. 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. Напряжение на ее катоде возрастает, а на аноде – 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 контакты16 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.

II. Пиковый детектор (рис. 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 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. 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 необходимо быстро разрядить, т.е. замкнуть его через малое сопротивление. Эту функцию выполняет транзистор VT2. В обычном положении он закрыт, но в момент смены потоков из генератора частоты коммутации с контакта 46 через резистор R5 на его базу подается короткий импульс напряжения, транзистор открывается и конденсатор быстро разряжается через VT2 на малое сопротивление R8. Начинается новый цикл заряда конденсатора.

Продетектированное таким образом напряжение, вид которого представлен на рис. 6, с верхней обкладки С2 поступает на выходной катодный повторитель (правая половина VL1). Отрицательные выбросы

Рис. 6 Эпюра напряжения на конденсаторе С2

напряжения обусловлены разрядом конденсатора С2 перед каждой сменой потоков.Усиленный по мощности сигнал снимается с катода правой половины VL1 и подается на коммутатор К (см. рис. 2.б), который разделяет напряжение по двум каналам: измерительному и опорному.

Коммутатор собран на оптронных парах VD1-VD6. Оптрон представляет собой пару светодиод – фотодиод, помещенную в общий корпус. Фотодиод пропускает ток только тогда, когда зажигается светодиод, т.е. когда через светодиод проходит ток.

Оптронные пары VD1 - VD2 должны пропускать только положительные сигналы и не пропускать отрицательные выбросы. Поэтому они почти всегда открыты, закрываясь лишь в моменты смены потоков. Тем самым они не пропускают, как бы “вырезают” эти выбросы. Конечно, за счет этого, импульсы на выходе укорачиваются по сравнению с изображенными на рис. 3.в, но незначительно в сравнении с длительностью импульса. Оптроны закрываются с частотой 0,5 Гц при приходе сигнала с контакта 12 от генератора частоты коммутации. Если оптроны открыты, т.е. на нижние светодиоды подается напряжение, то сигнал проходит дальше на оптронные пары VD3-VD4 или VD5-VD6.

Нижняя VD5-VD6 и верхняя VD3-VD4 пара оптронов открывается по очереди управляющими сигналами с мультивибратора через контакт 23 (верхняя пара) или 25 (нижняя пара). Таким образом, опорный сигнал идет через нижнюю пару, а зондирующий - через верхнюю.

III. Измерительный канал (рис. 7).

На вход измерительного канала поступает сигнал, изображенный на рис. 3.г. Через R13 импульсы попадают на сетку левой половины лампы VL2а. Внизу стоит фильтр С5- R14. Это фильтр частоты коммутации – ФЧК_зонд, настроенный на частоту коммутации – 0,25 Гц. Значения емкости и сопротивления выбраны здесь очень большими. В принципе ФЧК_зонд работает также, как пиковый детектор. Таким образом на верхней обкладке С5 (т.е. на сетке левой половины VL2а ) формируется практически постоянное напряжение.

Кнопка «Сброс» (SB) отключает анод лампы VL2а от источника питания, при этом конденсатор С5 быстро разряжается на резистор R14, что необходимо, например, для настроечных работ.

Таким образом на катоде левой половины VL2а формируется напряжение зависящее от МДВ, однако оно складывается с другим напряжением, также постоянным, обусловленным питанием лампы VL2а. Это напряжение необходимо уменьшить на величину, равную этой постоянной составляющей. Для этого служит источник питания, который представляет собой схему удвоения с выпрямления – С6, С7, VD14,VD13.

На вход схемы (контакты 36, 37) поступает переменное напряжение. Через диоды VD13 иVD14 конденсаторы С6 и С7 заряжаются по очереди, С6 – во время положительного полупериода на правом входе схемы через диодVD13, С7 – во время отрицательного через диодVD14. Так как емкость их значительна, они не успевают разрядиться и заряженные конденсаторы оказываются соединенными последовательно, напряжения на них складываются (удваиваются), и с выхода снимается удвоенное напряжение.

Напряжение со схемы удвоения, стабилизированное цепочкой стабилитронов VD10 - VD12, подается навстречу напряжению с катода лампы VL2а. С сопротивления R16 снимается разность напряжений, которая идет в функциональный преобразователь (ФП) через контакт 14. Вид этого напряжения (гнездо7на рис. 2.б) иллюстрирует рис. 3.е.

IV. Опорный канал (рис. 7).

С оптронных пар VD5 – VD6 через резистор R18 на сетку правой половины лампы VL2б подается напряжение, вид которого представлен на рис. 3.д. Резисторно-емкостной фильтр R19-С9 аналогичен фильтру частоты коммутации измерительного канала. Правая половина VL2б включена по схеме катодного повторителя с положительной обратной связью через С10. Напряжение на катоде VL2б зависит только от яркости источника света.

Теперь это напряжение необходимо сравнить с постоянным напряжением с ИСН. В качестве элемента сравнения используется транзистор VТ3 n-p-n- типа.

Напряжение с катода VL2б с делителя R20- R21 и резистора R23 поступает на эмиттер VТ3. На базу этого же транзистора подается второе стабилизированное напряжение от стабилизатора R23 — VD15 -VD18.

Через транзистор VТ3 осуществляется питание ФЭУ (контакты 10 и 19). Схема регулировки напряжения питания ФЭУ представлена на рис. 8.

Ток коллектора VТ3 зависит от соотношения напряжений на его базе и эмиттере.

Если например, на эмиттере напряжение растет (в результате возрастания яркости лампы), то транзистор призакрывается, его сопротивление увеличивается, и напряжение питания ФЭУ уменьшается. При уменьшении напряжения на эмиттере VТ3 происходит обратное: транзистор приоткрывается, напряжение на ФЭУ возрастает. Таким образом, напряжение на эмиттере транзистора всегда равно напряжению на его базе. Транзистор в данном случае выполняет роль дифференциального усилителя. Таким образом оказываются последовательно соединенными ФЭУ, транзистор VT3 и блоки питания, содержащие схемы удвоения напряжения.

Гнезда XS1  XS4, расположенные, как и другие контрольные гнезда, на боковой панели фотометрического блока, дают возможность проконтролировать напряжения в различных узлах схемы фотометра. Как уже упоминалось, гнездо XS2 соединено с выходом прибора (7 на рис. 2.б). Гнездо XS3 соответствует выходу пикового детектора (3 на рис. 2.б), а гнездо XS4 - напряжение на коллекторе транзистора VT3, которое управляет питанием ФЭУ. На контрольной схеме, приведенной на боковой панели прибора, используемого в лаборатории, это гнездо не выведено.

Рис. 8 Схема регулировки напряжения питания ФЭУ