ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ

Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, а именно, к технике измерения фотометрических параметров и предназначена для проверки линейности градуировочной характеристики измерителей прозрачности атмосферы, используемых на аэродроме при метеобеспечении взлета/посадки воздушных судов.
Известные устройства [1] содержат излучатель и приемник светового потока, расположенные у поверхности земли на известном расстоянии друг от друга для измерения коэффициента светопропускания слоя атмосферы, ограниченного этим расстоянием. По результатам измерения прозрачности атмосферы определяют (вычисляют) дальность видимости ориентиров взлетно-посадочной полосы.
Выходным параметром измерителей прозрачности атмосферы является метеорологическая дальность видимости S. Погрешность нелинейности градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы определяет погрешность расчета S. Предел допускаемой относительной погрешности определения S на нижнем участке диапазона S от 20 до 150 м составляет ±20% [2].
Чтобы выполнить это условие необходимо иметь абсолютную погрешность нелинейности градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы не более 0,05%.
Обоснование допускаемой величины погрешности измерения прозрачности атмосферы в нижнем участке градуировочной характеристики состоит в следующем.
Согласно Авиационным Правилам, часть 139, том II, 1966 г., с.55 на нижнем участке диапазона определения видимости от 20 до 150 м предел допускаемой погрешности измерения составляет ±20%. Связь между относительной погрешностью определения видимости и относительной погрешностью измерения светового потока в измерителе прозрачности атмосферы представлена, например в [1]. Из формул, представленных на с.82, 86 и 88 следует, что в области низких значений прозрачности
π
δS - относительная погрешность определения видимости;
δF - относительная погрешность измерения светового потока, поступающего на фотоприемник от излучателя после прохождения через слой атмосферы;
L - расстояние между излучателем и приемником;
µ - показатель ослабления света.
Поскольку , формула (1) принимает вид:
Погрешность δF имеет две составляющие. Первая составляющая определяется погрешностью измерительной схемы, а вторая - погрешностью аттестации светофильтров.
Поскольку основной вклад в погрешность оценки S при поверке вносит погрешность аттестации светофильтров формула (2) может быть представлена в виде:
где δT - относительная погрешность аттестации светофильтра.
Связь между S и T представлена в табличной форме для различных значений длины измерительной базы L. Из таблицы следует, что для измерительной базы, равной 50 м при видимости 20 м при абсолютном значении погрешности аттестации светофильтра 0,3% погрешность оценки S согласно (1) составляет более 70%, что более, чем в 3 раза превышает допускаемую величину. Использование более короткой измерительной базы, например 25 м, неприемлемо, поскольку при этом не обеспечивается верхний диапазон определения S.
Таблица
T
25 метров
50 метров
100 метров
1
2
3
4
0,01
8,13
16,26
32,53
0,02
8,79
17,59
35,17
0,03
9,23
18,47
36,93
0,04
9,57
19,14
38,29
0,05
9,85
19,71
39,41
0,06
10,10
20,19
40,38
0,07
10,31
20,62
41,24
0,08
10,50
21,01
42,01
0,09
10,68
21,36
42,72
0,1
10,84
21,68
43,37
0,12
11,14
22,27
44,54
0,14
11,40
22,79
45,59
0,16
11,63
23,27
46,53
0,18
11,85
23,70
47,40
0,2
12,05
24,10
48,20
0,25
12,50
25,00
50,00
0,3
12,89
25,78
51,57
0,4
13,56
27,13
54,26
0,5
14,14
28,27
56,54
0,6
14,64
29,28
58,56
0,7
15,09
30,19
60,38
0,8
15,51
31,02
62,05
0,9
15,90
31,80
63,60
1
16,26
32,53
65,05
1,1
16,61
33,21
66,43
1,2
16,93
33,87
67,73
1,3
17,25
34,49
68,98
1,4
17,54
35,09
70,18
1,5
17,83
35,67
71,33
1,6
18,11
36,22
72,45
1,7
18,38
36,76
73,52
1,8
18,64
37,28
74,57
1,9
18,90
37,79
75,59
2
19,14
38,29
76,58
2,1
19,39
38,77
77,54
2,2
19,62
39,24
78,49
2,3
19,85
39,71
79,41
1
2
3
4
2,4
20,08
40,16
80,32
2,5
20,30
40,60
81,21
2,6
20,52
41,04
82,08
2,7
20,74
41,47
82,94
2,8
20,95
41,89
83,78
2,9
21,15
42,31
84,61
3
21,36
42,72
85,43
3,1
21,56
43,12
86,24
3,2
21,76
43,52
87,03
3,3
21,95
43,91
87,82
3,4
22,15
44,30
88,59
3,5
22,34
44,68
89,36
3,6
22,53
45,06
90,12
3,7
22,72
45,43
90,87
3,8
22,90
45,80
91,61
3,9
23,09
46,17
92,34
4
23,27
46,53
93,07
Наибольшее распространение получили средства проверки нелинейности градуировочной характеристики измерителей прозрачности атмосферы (а также их поверки), основанные на использовании аттестованных нейтральных светофильтров, позволяющих изменять световой поток в известном отношении. Достижимая в настоящее время погрешность аттестации светофильтров составляет по абсолютному значению ±0,3% во всем диапазоне коэффициента пропускания светового потока от 0 до 100%. По мере увеличения плотности светофильтра относительная погрешность его аттестации по коэффициенту пропускания возрастает и для фильтра с коэффициентом пропускания 3% составляет ±10%.
Это не позволяет с требуемой точностью выполнить проверку (а также поверку) измерителя прозрачности атмосферы в области градуировочной характеристики, прилегающей к нулевой отметке шкалы.
Технические возможности современной микроэлементной базы с использованием малошумящих резисторов позволяет поддерживать погрешность измерения в области, прилегающей к нулевой отметке шкалы не хуже 0,01%.
Однако существующий уровень метрологического обеспечения не позволяет подтвердить этот результат.
Известны технические решения, позволяющие реализовать высокую точность проверки линейности, основанные на принципе суммирования потоков.
При реализации этого принципа не требуется изменять световой поток в известном отношении, что является его достоинством.
Варианты технической реализации этого принципа рассмотрены в известных технических решениях [3], основанных на использовании аттенюатора, обеспечивающего равномерное диффузное пропускание, который содержит, например, молочное стекло, установленное в непосредственной близости от приемника света с возможностью перемещения вдоль его оптической оси.
Такой аттенюатор нейтрален в широком спектре оптического излучения и позволяет изменять световой поток в широком диапазоне.
Однако, чтобы задавать световой поток на приемнике в известном отношении к исходному световому потоку, необходимо воспроизводить каждое положение аттенюатора с требуемой точностью.
Реализация этого условия требует сложных конструктивных решений.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является импульсный фотометр, содержащий поверочный комплект КП-ФИ-2, выпускаемый ОАО «ЛОМО» [4].
Устройство, принятое за прототип, содержит излучатель, включающий в себя объектив и источник излучения, фотоприемное устройство светового потока, состоящее из объектива и приемника излучения, блок управления, который связан с излучателем, блок обработки данных, который связан с излучателем и фотоприемным устройством светового потока, цифровой индикатор, поверочный комплект, состоящий из набора аттестованных нейтральных светофильтров и насадку на объектив излучателя с держателем светофильтра.
При поочередной установке светофильтров в держатель обеспечивается изменение светового потока в известном (с погрешностью аттестации светофильтра) отношении к исходному световому потоку, что позволяет оценить линейность градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы.
Недостаткам прототипа является возрастание погрешности в нижней части градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы из-за увеличения относительной погрешности аттестации светофильтров и, как следствие, ограниченный диапазон определения метеорологической дальности видимости S.
Частичное устранение этого недостатка возможно при использовании комбинации светофильтров, установленных в непосредственной близости друг от друга. Однако при этом сужается спектральная полоса пропускания относительно кривой видимости глаза, что является источником дополнительной погрешности.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение контроля погрешности градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы в области нулевых значений с требуемой погрешностью.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого измерителя прозрачности атмосферы, который, как и прототип, содержит излучатель, включающий в себя объектив и источник излучения, фотоприемное устройство светового потока, состоящее из объектива и приемника излучения, блок управления, связанный с излучателем, блок обработки данных, связанный с излучателем и фотоприемным устройством светового потока, цифровой индикатор, поверочный комплект, состоящий из набора аттестованных нейтральных светофильтров и насадку на объектив излучателя с держателем светофильтра.
В отличие от прототипа, измеритель дополнительно содержит аттенюатор, выполненный в виде молочного стекла, и насадку на объектив фотоприемного устройства светового потока, при этом аттенюатор и насадка на объектив фотоприемного устройства светового потока соединены между собой с возможностью перемещения аттенюатора вдоль оптической оси фотоприемного устройства светового потока, поступающего от излучателя измерения прозрачности атмосферы.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство дополнительно содержит аттенюатор, обеспечивающий равномерное диффузное пропускание, например из молочного стекла, установленного в насадке на приемник светового потока с возможностью перемещения вдоль его оптической оси. При отсутствии светофильтров в насадке на объективе излучателя начальное положение аттенюатора обеспечивает коэффициента пропускания приблизительно равный коэффициенту пропускания самого плотного светофильтра.
В этом положении аттенюатора поочередная установка светофильтров в насадку на объектив излучателя позволяет проверить линейность градуировочной характеристики ниже отметки шкалы, соответствующей коэффициенту пропускания самого плотного светофильтра. Изменение начального положения аттенюатора позволяет контролировать линейность градуировочной характеристики вплоть до нулевого значения шкалы.
Погрешность в нулевой отметке шкалы контролируется установкой в держатель светофильтра непрозрачного экрана.
Аттенюатор и насадка на объектив фотоприемного устройства светового потока, соединены между собой с возможностью перемещения аттенюатора вдоль оптической оси приемника светового потока, поступающего от излучателя измерителя прозрачности атмосферы, обеспечивают непрерывное уменьшение светового потока на приемнике ниже уровня соответствующего коэффициенту пропускания самого плотного светофильтра.
Совместное использование аттенюатора и комплекта аттестованных светофильтров позволяет контролировать линейность градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы с требуемой точностью вплоть до нулевой отметки шкалы.
При этом исключается необходимость аттестации аттенюатора в качестве устройства, позволяющего изменять световой поток в известном отношении к исходному световому потоку, что значительно упрощает конструктивное решение.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 - изображена схема измерителя прозрачности атмосферы.
Измеритель прозрачности атмосферы содержит излучатель, включающий в себя объектив 1 и источник излучения 2, фотоприемное устройство светового потока, состоящее из объектива 3 и приемника излучения 4, блок управления 5, связанный с источником излучения 2, блок обработки данных 6, связанный с излучателем и фотоприемным устройством светового потока, цифровой индикатор 7.
Кроме того, измеритель прозрачности атмосферы включает в себя поверочный комплект, состоящий из набора аттестованных нейтральных светофильтров и насадку 8 на объектив излучателя с держателем 9 светофильтра.
Измеритель прозрачности атмосферы дополнительно содержит аттенюатор 10, выполненный в виде молочного стекла и насадку 11 на объектив фотоприемного устройства светового потока, при этом аттенюатор 10 и насадка 11 на объектив фотоприемного устройства светового потока соединены между собой с возможностью перемещения аттенюатора 10 вдоль оптической оси фотоприемного устройства светового потока, поступающего от излучателя.
Измеритель прозрачности атмосферы работает следующим образом.
При снятых насадках 11 и 8 на приемник 4 и излучатель 2 измеритель прозрачности атмосферы с помощью блока обработки данных 6 вычисляет отношение интенсивности сигнала на выходе приемника светового потока 4, ослабленного атмосферой, к интенсивности сигнала излучателя световых импульсов. Коэффициент пропускания атмосферы индицируется на цифровом индикаторе 7. При установке насадки 8 на объектив излучателя с помощью аттестованных светофильтров при поочередной их установке в держатель светофильтра 9 имитируются различные значения коэффициента пропускания атмосферы и проверяется линейность градуировочной характеристики в пределах, ограниченных коэффициентом пропускания самого плотного фильтра (приблизительно 3%). Затем самый плотный фильтр извлекается из насадки на излучатель, а на объектив 3 приемника излучения 4 устанавливается насадка 11 с аттенюатором 10, выполненным в виде молочного стекла. В начальном положении аттенюатор 10 обеспечивает показания на цифровом индикаторе 7, которые приблизительно равны показаниям при установке самого плотного светофильтра в насадку 8 на объектив излучателя. В этом положении аттенюатора 10 повторно устанавливают светофильтры в насадку 8 на объектив излучателя. По отношению этих показаний к показаниям, которые обеспечивает аттенюатор 10 в начальном положении, судят о линейности градуировочной характеристики в области ниже отметки шкалы, соответствующей коэффициенту пропускания самого плотного светофильтра (приблизительно 3%).
Путем перемещения аттенюатора 10 увеличивают расстояние до объектива приемника излучения и получают новый уровень сигнала на цифровом индикаторе 7, который принимают за исходный для проверки линейности градуировочной характеристики ниже отметки шкалы, соответствующей новому уровню сигнала. При этом поочередно вновь устанавливают светофильтры в насадку 8 на объектив излучателя. Контроль положения нулевой отметки шкалы выполняют с помощью непрозрачного экрана, который помещают в насадку 8 на объектив излучателя вместо светофильтра.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет осуществить проверку линейности в нижней части градуировочной характеристики ниже отметки шкалы, соответствующей коэффициенту пропускания самого плотного светофильтра и обеспечить контроль линейности градуировочной характеристики измерителя прозрачности атмосферы в области нулевых значений с требуемой точностью.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее отражение. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, сс.82, 86, 88.
2. Авиационные правила, часть 139, том II, 1966, с.55.
3. Эпштейн М.И. Измерение оптического излучения в электронике. Москва. Энергоиздат, 1990, СС.174-175.
4. Поверочный комплект «КП-ФИ-2» «Измеритель дальности видимости (фотометр импульсный)». Методика поверки, изд. Санкт-Петербург, «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», МП-254-0006-2007 г. - прототип.