БАЗИСНЫЙ ФОТОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, а именно к технике измерения фотометрических параметров, предназначена, преимущественно, для измерения прозрачности атмосферы и может найти применение на аэродромах для измерения оптических характеристик атмосферы при определении видимости ориентиров взлетно-посадочной полосы (ВПП) в ходе метеорологического обеспечения действий авиации на аэродроме.
К основным средствам, предназначенным для измерения прозрачности атмосферы на аэродроме, относятся базисные фотометры (трансмиссометры). Известны два варианта реализации базисных фотометров. В первом варианте на одном конце базисной линии прибора установлен блок источника света, на другом - приемник света [1].
Второй вариант отличается тем, что на одном конце базисной линии установлен блок приемоизлучателя, а на другом - отражатель света [2].
Недостатком обоих вариантов реализации является ограниченный диапазон измерения прозрачности (коэффициента светопропускания).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является базисный фотометр [3], содержащий источник и приемник световых импульсов, установленные на противоположных концах базисной линии, оптический вход приемника световых импульсов связан с источником световых импульсов через измеряемую среду, а электрический выход подключен к источнику световых импульсов через устройство нормирования сигналов посредством коаксиального кабеля, выход устройства нормирования сигналов предназначен для подключения к проводному каналу связи с целью передачи измерительной информации
на устройство отображения или систему автоматизированного сбора и обработки информации.
Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон измерения прозрачности атмосферы в верхнем участке шкалы. Расширение диапазона измерения возможно лишь при увеличении длины базисной линии, что пропорционально ограничивает нижний предел измерения.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения прозрачности атмосферы в сторону высоких ее значений.
Для решения поставленной задачи предложен базисный фотометр, который, как и прототип, содержит установленные на одном конце базисной линии источник излучения, устройство нормирования амплитуд сигналов, а также приемник световых импульсов, установленный на противоположном конце базисной линии, оптический вход приемника связан с источником излучения через отрезок измерительной трассы, электрический выход приемника через коаксиальный кабель соединен с первым входом устройства нормирования амплитуд сигналов, второй вход которого электрически связан с источником излучения.
В отличие от прототипа в базисный фотометр дополнительно введены второй приемник световых импульсов, установленный рядом с источником излучения вне зоны светового потока так, что его оптическая ось пересекает ось источника излучения под углом 45-60° к направлению излучения, а также коммутатор каналов с управляющим входом и двумя выходами и вычислительное устройство, при этом выход второго приемника световых импульсов подключен к первому входу коммутатора каналов, второй вход которого соединен с выходом устройства нормирования амплитуд сигналов, управляющий вход коммутатора каналов подключен к источнику опорного напряжения, а выходы
коммутатора каналов подключены к входам вычислительного устройства, выход которого является выходом трансмиссометра.
Сущность полезной модели заключается в том, что, благодаря введению второго приемника световых импульсов, установленному вне зоны светового потока, реализуется нефелометрический метод измерения, для которого относительная погрешность измерения рассеянного излучения одинакова во всем диапазоне измерения, включая высокие значения прозрачности атмосферы. Это снимает ограничение по диапазону измерения, характерное для базисного фотометра, связанное с нелинейным характером зависимости коэффициента пропускания со значением метеорологической дальности видимости, которая представляет интерес для потребителя.
Это поясняется формулами:
,
μ
где S - метеорологическая дальность видимости (МДВ);
σ - показатель ослабления (объемный коэффициент рассеяния);
ρ - коэффициент рассеяния под углом к направлению к излучению.
Формула (1) реализует базисный метод измерения, а формула (2) -нефелометрический метод измерения.
Первый приемник световых импульсов реализует канал трансмиссометрического метода измерения, который устраняет недостаток нефелометрического канала измерения, связанный с методическими погрешностями измерения при наличии осадков в виде снега и дождя при низких значениях прозрачности атмосферы, а нефелометрический канал измерения обеспечивает расширение диапазона измерения в сторону высоких значений прозрачности (при отсутствии осадков).
Таким образом, использование двух измерительных каналов обеспечивает решение поставленной задачи.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг.1 - изображена схема предлагаемого базисного фотометра.
Базисный фотометр содержит источник излучения 1, первый приемник световых импульсов 2, установленные на противоположных концах базисной линии, устройство нормирования амплитуд сигналов 3, один из входов которого подключен к выходу источника излучения, другой вход через коаксиальный кабель соединен с выходом первого приемника световых импульсов 2, второй приемник световых импульсов 4, коммутатор каналов 5 с управляющим входом, двумя сигнальными входами и двумя выходами, а также вычислительное устройство 6, выход второго приемника световых импульсов 4 подключен к первому входу коммутатора каналов 5, второй вход которого соединен с выходом устройства нормирования амплитуд сигналов 3, управляющий вход коммутатора каналов 5 подключен к источнику опорного напряжения, выходы коммутаторов каналов 5 подключены к вычислительному устройству 6, второй приемник световых импульсов 4 установлен рядом с источником излучения 1 за пределами светового потока так, что его оптическая ось пересекает ось источника излучения под углом 45-60° к направлению излучения.
Работа базисного фотометра осуществляется следующим образом.
Источник излучения 1 формирует световой поток в направлении первого приемника световых импульсов 2. Электрические сигналы, пропорциональные интенсивности излучаемых импульсов, поступают на один вход устройства нормирования амплитуд сигналов 3, на другой вход которого через коаксиальный кабель поступают электрические сигналы с выхода первого приемника световых импульсов 2. Устройство нормирования амплитуд сигналов 3 измеряет отношение амплитуд сигналов, ослабленных измеряемой средой на отрезке трассы,
ограниченной базисной линией фотометра к амплитудам излучаемых импульсов.
По мере увеличения прозрачности среды отношение амплитуд сигналов приближается к единице, что и ограничивает диапазон измерения с приемлемой погрешностью измерения.
По мере увеличения сигнала на выходе первого приемника световых импульсов 2 сигнал на выходе второго приемника световых импульсов 4 уменьшается, поскольку он измеряет рассеянное излучение, обратно пропорциональное МДВ, что и позволяет снять ограничение по диапазону измерения для первого приемника световых импульсов 2.
Благодаря опорному напряжению на управляющем входе коммутатора каналов 5 сигнал с первого приемника световых импульсов 2 поступает на первый его выход до тех пор, пока его уровень ниже уровня опорного напряжения. Когда сигнал на выходе первого приемника световых импульсов 2 достигает уровня опорного напряжения, коммутатор каналов 5 блокирует поступление этого сигнала на первый выход. При этом на втором выходе коммутатора каналов 5 появляется сигнал с выхода второго приемника световых импульсов 4.
Коэффициент пропускания и коэффициент рассеяния не являются конечным видом информации. Необходимо преобразование этих коэффициентов в значение метеорологической дальности видимости. Эту задачу решает вычислительное устройство 6 на основе известных формул расчета.
Предложенное устройство реализует два метода измерения - метод трансмиссометра и метод нефелометра. Источник световых импульсов 1 и первый приемник световых импульсов 2 позволяют получать достоверные измерения в диапазоне МДВ до 4000 м при наличии осадков в виде дождя и снега, когда второй приемник световых импульсов 4 дает искажение данных по коэффициенту рассеяния.
Источник световых импульсов 1 и второй приемник световых импульсов 4 снимают ограничение по диапазону измерения в канале трансмиссометра.
Достоинством предлагаемого устройства является использование одного источника световых импульсов для обоих приемников излучения световых импульсов (для двух методов измерения МДВ) и позволяет расширять диапазон измерения МДВ для трансмиссометрического метода измерения, повысить достоверность измерения для нефелометрического метода измерения.
Источники информации
1. Приборы и установки для измерения на аэродромах. Под редакцией Л.П.Афиногенова, Ленинград, Гидрометиоиздат, 1981, с.21.
2. Комплект аппаратуры MITRAS, фирмы Вайсала Оу (Финляндия). Сертификат об утверждении типа средств измерений Комитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарта России) №855 от 12.02.96.
3. Российская Федерация, патент №2070717, МПК: 6 G01J 1/44, опубл. 20.12.1996 г.- прототип.