БАЗИСНЫЙ ФОТОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к технике измерения фотометрических параметров и предназначена, преимущественно, для измерения прозрачности атмосферы на аэродроме.
К основным средствам, предназначенным для измерения прозрачности атмосферы на аэродроме, относятся базисные фотометры (трансмиссометры). Известны три 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 первых двух вариантов реализации является ограниченный диапазон измерения прозрачности (коэффициента светопропускания).
Третий вариант отличается тем, что содержит второй приемник световых импульсов, размещенный в блоке отражателя, что позволяет расширить на порядок величины диапазон измерения коэффициента светопропускания атмосферы, а также позволяет выполнять контроль достоверности измерений [3].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является базисный фотометр [3], содержащий установленные на одном конце базисной линии источник излучения и первый приемник световых импульсов, а также блок обработки электрических сигналов, и отражатель света, установленный на противоположном конце базисной линии, оптический вход первого приемника связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы, проходящей через измеряемую среду и отражатель, электрический выход приемника соединен с первым входом блока обработки, второй вход которого электрически связан с источником световых импульсов, выход блока обработки связан с первым его входом через устройство нормирования амплитуд сигналов, второй приемник световых импульсов, установленный на противоположном от излучателя конце базисной линии рядом с отражателем света, коаксиальный кабель, масштабный усилитель, электронный коммутатор, блок обработки электрических сигналов, имеющий дополнительный третий вход, при этом оптический вход второго приемника связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы, а электрический выход - с дополнительным входом блока обработки электрических сигналов через коаксиальный кабель и масштабный усилитель так, что измерительные трассы для первого и второго приемников пространственно совмещены по всей их длине, выход блока обработки связан с первым его входом через коммутатор и первый выход устройства нормирования сигналов, который соединен с первым входом электронного коммутатора, второй вход которого подключен ко второму выходу устройства нормирования сигналов, сопряженному с третьим его входом, который является дополнительным входом блока обработки, выход коммутатора является выходом базисного фотометра, который соединен с одним из входов коммутатора в зависимости от управляющего сигнала на его входе, а также сравнивающее устройство на два входа, один из которых соединен с выходом устройства нормирования амплитуд сигналов, сопряженным со вторым и третьим его входами, третий выход устройства нормирования амплитуд сигналов сопряжен с третьим и первым его входами и с другим входом сравнивающего устройства, а управляющий вход масштабного усилителя соединен с выходом сравнивающего устройства.
Отражатель света выполнен в виде набора триппель-призмы.
Недостатком известного устройства является зависимость оценки достоверности измерений от неодинаковой степени загрязнения размещенных вокруг второго приемника излучения наружных оптических поверхностей отражателя света и совмещенного с ним приемника излучения.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности оценки достоверности измерений путем совмещения наружных оптических поверхностей отражателя и приемника излучения.
Для решения поставленной задачи предложен базисный фотометр, который, как и прототип, содержит установленные на одном конце базисной линии источник излучения и первый приемник световых импульсов, а также блок обработки электрических сигналов, и отражатель света, установленный на противоположном конце базисной линии, оптический вход первого приемника связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы, проходящей через измеряемую среду и отражатель, электрический выход приемника соединен с первым входом блока обработки, второй вход которого электрически связан с источником световых импульсов, выход блока обработки связан с первым его входом через устройство нормирования амплитуд сигналов, второй приемник световых импульсов, установленный на противоположном от излучателя конце базисной линии рядом с отражателем света, коаксиальный кабель, масштабный усилитель, электронный коммутатор, блок обработки электрических сигналов, имеющий дополнительный третий вход, при этом оптический вход второго приемника связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы, а электрический выход - с дополнительным входом блока обработки электрических сигналов через коаксиальный кабель и масштабный усилитель так, что измерительные трассы для первого и второго приемников пространственно совмещены по всей их длине, выход блока обработки связан с первым его входом через коммутатор и первый выход устройства нормирования сигналов, который соединен с первым входом электронного коммутатора, второй вход которого подключен ко второму выходу устройства нормирования сигналов, сопряженному с третьим его входом, который является дополнительным входом блока обработки, выход коммутатора является выходом базисного фотометра, который соединен с одним из входов коммутатора в зависимости от управляющего сигнала на его входе, а также сравнивающее устройство на два входа, один из которых соединен с выходом устройства нормирования амплитуд сигналов, сопряженным со вторым и третьим его входами, третий выход устройства нормирования амплитуд сигналов сопряжен с третьим и первым его входами и с другим входом сравнивающего устройства, а управляющий вход масштабного усилителя соединен с выходом сравнивающего устройства
В отличие от прототипа в базисном фотометре отражатель света выполнен в виде сферического зеркала, установленного соосно с объективом приемника излучения в его фокальной плоскости с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом радиус сферического зеркала равен фокусному расстоянию объектива приемника, а приемник излучения установлен у задней поверхности сферического зеркала на оптической оси объектива, причем отражающая поверхность зеркала выполнена полупрозрачной.
Сущность полезной модели заключается в том, что, благодаря выполнению отражателя света в виде сферического зеркала, установленного соосно с объективом приемника излучения в его фокальной плоскости с возможностью перемещения вдоль оптической оси, с радиусом сферического зеркала, равным фокусному расстоянию объектива приемника, установкой приемника излучения у задней поверхности сферического зеркала на оптической оси объектива, а также выполнению отражающей поверхности зеркала полупрозрачной, позволило исключить неодинаковую степень загрязнения для отражателя и приемника излучения, что повышает надежность оценки достоверности измерений путем совмещения наружных оптических поверхностей отражателя и приемника излучения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг.1 - изображена схема предлагаемого базисного фотометра.
Базисный фотометр содержит источник излучения 1 и первый приемник 2 световых импульсов, а также блок обработки электрических сигналов 3, и масштабный усилитель 4, установленные на одном конце базисной линии, отражатель света 5 и второй приемник световых импульсов 6, электрически связанный с блоком обработки электрических сигналов 3 через коаксиальный кабель…, оптический вход первого приемника световых импульсов связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы (L), проходящей через измеряемую среду и отражатель 5, установленный на расстоянии L/2 от источника излучения 1, оптический вход второго приемника световых импульсов 6а связан с источником излучения 1 через отрезок измерительной трассы L/2, равный длине базисной линии прибора, электрический выход первого приемника подключен к первому входу 7 блока обработки электрических сигналов 3, электрический выход второго приемника подключен ко второму входу 8 блока обработки электрических сигналов 3 через масштабный усилитель 4, третий вход 9 блока обработки электрических сигналов 3 электрически связан с источником излучения 1.
Блок обработки электрических сигналов 3 содержит коммутатор электрических сигналов 10, устройство нормирования сигналов 11, сравнивающее устройство 12. Входы коммутатора электрических сигналов 10 подключены к выходам 7/9 и 8/9 устройства нормирования сигналов 11, входы сравнивающего устройства 12 соединены с выходами 8/9 и 7/8 устройства нормирования 11.
Входы 7, 8 и 9 устройства нормирования 11 явяляются входами блока обработки электрических сигналов 3, выходом которого является выход коммутатора электрических сигналов 10. Выход 13 сравнивающего устройства 12 подключен к управляющему входу масштабного усилителя 4.
Отражатель света 5 выполнен в виде сферического зеркала 14, установленного соосно с объективом приемника излучения 6а в его фокальной плоскости с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом радиус сферического зеркала равен фокусному расстоянию объектива приемника излучения, а приемник излучения установлен у задней поверхности сферического зеркала 14 на оптической оси объектива приемника излучения 6а, причем отражающая поверхность сферического зеркала 14 выполнена полупрозрачной.
Работа базисного фотометра осуществляется следующим образом.
Источник излучения 1 формирует световой поток в направлении отражателя 5. Одновременно электрические сигналы, пропорциональные интенсивности излучаемых импульсов, поступают на вход 9 блока обработки электрических сигналов 3. Отражатель 5 возвращает световые импульсы на первый приемник 2.
В блоке обработки электрических сигналов 3 устройство нормирования сигналов 11 измеряет отношение амплитуд сигналов, ослабленных измеряемой средой на отрезке трассы, равном удвоенной длине базисной линии, к амплитудам излучаемых импульсов. Дополнительно устройство нормирования сигналов 11 измеряет отношение амплитуд сигналов на входе 8, полученных от второго приемника 6, ослабленных измеряемой средой на отрезке трассы, равном длине базисной линии, к амплитудам, излучаемых импульсов. На вход 8 блока обработки электрических сигналов 3 сигналы от второго приемника 6 поступают после прохождения по коаксиальному кабелю 1 и каналу масштабного усилителя 4. При относительно высокой прозрачности измеряемой среды уровни нормированных сигналов, поступающих от обоих приемников, будут практически одинаковы.
1
2
2
1
1
2
2
По мере ухудшения прозрачности среды уровень сигналов, поступающих от первого приемника, уменьшается быстрее по отношению к сигналам от второго приемника. При большой оптической плотности среды сигнал от первого приемника становится слишком малым для того чтобы выполнять приемлемые по точности измерения. Сигнал на выходе второго приемника оказывается заметно больше, что и позволяет расширить нижний предел измерения. Например, в случае, когда сигнал на выходе первого приемника уменьшается до 1% своей исходной величины, соответствующей высокой прозрачности среды, сигнал на выходе второго приемника оказывается на порядок величины больше и составляет 10% исходной величины. Это объясняется тем, что сигнал, прежде чем он будет принят первым приемником, пройдет измеряемую среду дважды - в прямом и обратном направлении, в то время как сигнал, принятый вторым приемником, пройдет через измеряемую среду лишь в одном направлении. Измеренное значение коэффициента пропускания в первом случае равно квадрату коэффициента пропускания во втором случае, то есть K=K . Если, например, K=0,1, то K=0,01. Таким образом, при заданной погрешности измерения оказывается возможным на порядок величины расширить диапазон измерения коэффициента светопропускания. В зависимости от сигнала на управляющем входе блока обработки электрических сигналов 3 на выход прибора поступает сигнал, пропорциональный K или K.
Блок обработки электрических сигналов 3, кроме того, выполняет непрерывный контроль достоверности измерений путем сравнения сигналов, поступающих от первого и второго приемников после их нормирования в устройстве нормирования сигналов 11.
Контроль достоверности измерений в предложенном устройстве возможен благодаря пространственному совмещению основной (L) и дополнительной (L/2) измерительных трасс, ограниченных базисной линией прибора (L/2). Световой импульс проходит один и тот же отрезок среды на обеих измерительных трассах.
осн
доп
доп
осн
доп
доп
Блок обработки электрических сигналов 3 выполняет контроль достоверности с помощью сравнивающего устройства 12, на а входы которого поступают сигналы с выходов 8/9 и 7/8 устройства нормирования сигналов 11. На своем выходе 7/8 устройства нормирования сигналов 11 формирует сигнал, пропорциональный отношению уровней сигналов на его основном и дополнительном входах, то есть сигнал, равный отношению K(L)/K(L/2). При этом на выходе 8/9 имеется сигнал, пропорциональный K(L/2). Указанные сигналы действуют на входах сравнивающего устройства 12, выход которого 13 соединен с управляющим входом масштабного усилителя 4. Коэффициент передачи масштабного усилителя 4 устанавливается благодаря действию этой обратной связи таким, чтобы обеспечивалось равенство сигналов на входах сравнивающего устройства 12, то есть: K(L)/(KL/2)=(KL/2).
Выполнение этого равенства возможно в случае равенства
осн
доп
K(L)=(KL/2),
То есть в случае идентичности коэффициентов передачи элементов в обоих измерительных каналах. Если, например, коэффициент передачи второго фотоприемника изменяется под воздействием дестабилизирующих факторов, то изменение будет автоматически скомпенсировано блоком обработки электрических сигналов 3.
Благодаря предложенной конструкции отражателя света, совмещенного с приемником излучения, исключается влияние неодинаковой степени загрязнения наружных оптических поверхностей отражателя и приемника излучения на оценку достоверности измерений.
Перемещение сферического зеркала в сторону объектива приемника излучения 6а позволяет увеличивать диаметр отраженного пучка света, то есть уменьшать сигнал на первом приемнике излучения. Это позволяет использовать отражатель света на измерительных базах меньшей длины для расширения диапазона измерения в сторону низких значений прозрачности атмосферы, что невозможно при использовании триппель призменного отражателя света. Кроме того, перемещением сферического зеркала можно компенсировать неточность изготовления объектива и сферического зеркала. Такой отражатель света имеет более низкую стоимость изготовления
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с.83.
2. Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах. /Под ред. Л.П.Афиногенова и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, с.35-40.
3. Российская Федерация, патент №2070717, МПК: 6 G01J 1/44, опубл. 20.12.1996 г. - прототип.