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 коммутатора измерительных каналов, 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 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.
Первый приемник световых импульсов и источник световых импульсов с зеркальным объективом объединены в блок приемо-излучателя и закрыт защитным стеклом от влияния открытой атмосферы. Поле зрения первого приемника световых импульсов ограничено полевой диафрагмой.
Недостатком известного устройства является отсутствие контроля загрязнения защитного стекла блока приемо-излучателя каплями дождя и мокрым снегом под влиянием ветра.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение контроля загрязнения защитного стекла блока приемо-излучателя каплями дождя и мокрым снегом под влиянием ветра.
Для решения поставленной задачи предложен базисный фотометр, который, как и прототип, содержит установленные на одном конце базисной линии источник световых импульсов с зеркальным объективом, первый приемник световых импульсов, а также блок обработки электрических сигналов, и отражатель света, установленный на противоположном конце базисной линии, оптический вход первого приемника световых импульсов связан с источником световых импульсов через отрезок измерительной трассы, проходящей через измеряемую среду и отражатель, электрический выход первого приемника световых импульсов 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 источника световых импульсов конце базисной линии рядом с отражателем света, коаксиальный кабель, масштабный усилитель, коммутатор измерительных каналов, блок обработки электрических сигналов, имеющий дополнительный третий вход, при этом оптический вход второго приемника световых импульсов 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 световых импульсов пространственно совмещены по всей их длине, выход блока обработки связан с первым его входом через коммутатор измерительных каналов и первый выход устройства нормирования амплитуд сигналов, который соединен с первым входом коммутатора измерительных каналов, второй вход которого подключен ко второму выходу устройства нормирования амплитуд сигналов, сопряженному с третьим его входом, который является дополнительным входом блока обработки, выход коммутатора измерительных каналов является выходом базисного фотометра, который соединен с одним из входов коммутатора измерительных каналов 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 со вторым 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 сферического зеркала, установленного соосно с объективом второго приемника световых импульсов в его фокальной плоскости с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом радиус сферического зеркала равен фокусному расстоянию объектива второго приемника световых импульсов, а второй приемник световых импульсов установлен у задней поверхности сферического зеркала на оптической оси объектива, причем отражающая поверхность зеркала выполнена полупрозрачной.
В отличие от прототипа в базисный фотометр дополнительно введены третий приемник световых импульсов, светоделительная пластина, формирователь управляющего сигнала, электронный ключ и светонепроницаемый экран, установленный перед третьим приемником световых импульсов, при этом диаметр светонепроницаемого экрана равен диаметру отверстия полевой диафрагмы первого приемника световых импульсов, светоделительная пластина установлена между первым и третьим приемниками световых импульсов на одинаковом расстоянии от них, светочувствительные площадки приемников световых импульсов обращены навстречу друг другу, блок обработки электрических сигналов содержит формирователь управляющего сигнала, один вход которого подключен к выходу третьего приемника световых импульсов, другой вход соединен с выходом первого приемника световых импульсов и входом устройства нормирования амплитуд сигналов, выход формирователя управляющего сигнала подключен к управляющему входу электронного ключа, вход которого соединен с выходом коммутатора измерительных каналов, а выход электронного ключа является выходом базисного фотометра.
Сущность полезной модели заключается в том, что, благодаря введению дополнительного третьего приемника световых импульсов, установленного соосно с первым приемником световых импульсов, так, что их светочувствительные площадки приемников обращены навстречу друг другу, введению светоделительной пластины, установленной между первым и третьим приемниками световых импульсов на одинаковом расстоянии от них, а также введению светонепроницаемого экрана, установленного в непосредственной близости от его светочувствительной площадки третьего приемника световых импульсов соосно с ним, введению электронного ключа с управляющим входом и формирователя управляющего сигнала, причем выход третьего приемника световых импульсов подключен к входу формирователя управляющего сигнала, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, вход которого соединен с выходом коммутатора измерительных каналов фотометра, выход электронного ключа является выходом базисного фотометра, оказалось возможным обеспечить контроль загрязнения защитного стекла блока приемо-излучателя каплями дождя и мокрым снегом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг.1 - изображена схема предлагаемого базисного фотометра.
Базисный фотометр содержит источник световых импульсов 1 и первый приемник световых импульсов 2, 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 2 связан с источником световых импульсов 1 через отрезок измерительной трассы (L), проходящей через измеряемую среду и отражатель 5, установленный на расстоянии L/2 от источника световых импульсов 1, оптический вход второго приемника световых импульсов 6а связан с источником световых импульсов 1 через отрезок измерительной трассы L/2, равный длине базисной линии прибора, электрический выход первого приемника световых импульсов 2 подключен к первому входу 7 блока обработки электрических сигналов 3, электрический выход второго приемника световых импульсов 6 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 световых импульсов 1.
Блок обработки электрических сигналов 3 содержит коммутатор измерительных каналов 10, устройство нормирования амплитуд сигналов 11, сравнивающее устройство 12. Входы коммутатора измерительных сигналов 10 подключены к выходам 7/9 и 8/9 устройства нормирования амплитуд сигналов 11, входы сравнивающего устройства 12 соединены с выходами 8/9 и 7/8 устройства нормирования амплитуд сигналов 11.
Входы 7, 8 и 9 устройства нормирования амплитуд сигналов 11 являются входами блока обработки электрических сигналов 3, выходом которого является выход коммутатора измерительных 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 световых импульсов 6а в его фокальной плоскости с возможностью перемещения вдоль оптической оси, при этом радиус сферического зеркала 14 равен фокусному расстоянию объектива приемника световых импульсов, а приемник световых импульсов установлен у задней поверхности сферического зеркала 14 на оптической оси объектива приемника световых импульсов 6а, причем отражающая поверхность сферического зеркала 14 выполнена полупрозрачной.
Базисный фотометр содержит третий приемник световых импульсов 16, светоделительную пластину 15, электронный ключ 18, перед третьим приемником световых импульсов 16 установлен светонепроницаемый экран 17, диаметр которого равен диаметру отверстия полевой диафрагмы первого приемника световых импульсов 2, светоделительная пластина 15 установлена между первым 2 и третьим 16 приемниками световых импульсов на одинаковом от них расстоянии, блок обработки электрических сигналов 3 содержит формирователь управляющего сигнала 19, один вход которого подключен к выходу третьего приемника световых импульсов 16, другой вход соединен с выходом первого приемника световых импульсов 2 и входом 7 устройства нормирования амплитуд сигналов 11, выход формирователя управляющего сигнала 19, подключен к управляющему входу электронного ключа 18, вход которого соединен с выходом коммутатора измерительных каналов 10, а выход электронного ключа 18 является выходом базисного фотометра.
Работа базисного фотометра осуществляется следующим образом.
Источник световых импульсов 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 световых импульсов 2.
В блоке обработки электрических сигналов 3 устройство нормирования амплитуд сигналов 11 измеряет отношение амплитуд сигналов, ослабленных измеряемой средой на отрезке трассы, равном удвоенной длине базисной линии, к амплитудам излучаемых импульсов. Дополнительно устройство нормирования амплитуд сигналов 11 измеряет отношение амплитуд сигналов на входе, полученных от второго приемника световых импульсов 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 световых импульсов 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 световых импульсов, будут практически одинаковы.
2
1
1
2
По мере ухудшения прозрачности среды уровень сигналов, поступающих от первого приемника световых импульсов 2, уменьшается быстрее по отношению к сигналам от второго приемника световых импульсов 6. При большой оптической плотности среды сигнал от первого приемника световых импульсов 2 становится слишком малым для того, чтобы выполнять приемлемые по точности измерения. Сигнал на выходе второго приемника световых импульсов 6 оказывается заметно больше, что и позволяет расширить нижний предел измерения. Например, в случае, когда сигнал па выходе первого приемника световых импульсов 2 уменьшается до 1% своей исходной величины, соответствующей высокой прозрачности среды, сигнал на выходе второго приемника световых импульсов 6 оказывается на порядок величины больше и составляет 10% исходной величины. Это объясняется тем, что сигнал, прежде чем он будет принят первым приемником световых импульсов 2, пройдет измеряемую среду дважды - в прямом и обратном направлении, в то время как сигнал, примятый вторым приемником световых импульсов 6, пройдет через измеряемую среду лишь в одном направлении. Измеренное значение коэффициента пропускания в первом случае равно квадрату коэффициента пропускания во втором случае, то есть . Если, например, К=0,1, то К=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 К или К.
Блок обработки электрических сигналов 3, кроме того, выполняет непрерывный контроль достоверности измерений путем сравнения сигналов, поступающих от первого 2 и второго 6 приемников световых импульсов после их нормирования в устройстве нормирования амплитуд 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 входы которого поступают сигналы с выходов 8/9 и 7/8 устройства нормирования амплитуд сигналов 11. На своем выходе 7/8 устройства нормирования амплитуд сигналов 11 формирует сигнал, пропорциональный отношению уровней сигналов на его основном и дополнительном входах, то есть сигнал, равный отношению К(L)/К(L/2). При этом на выходе 8/9 имеется сигнал, пропорциональный К(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: К(L)/(КL/2)=(КL/2).
Это возможно в случае идентичности коэффициентов передачи элементов в обоих измерительных каналах. Если, например, коэффициент передачи второю приемника световых импульсов 6 изменяется под воздействием дестабилизирующих факторов, то изменение будет автоматически скомпенсировано блоком обработки электрических сигналов 3.
При отсутствии загрязнений защитного стекла 20 световой поток, возвращенный отражателем на зеркальный объектив 2а блока приемо-излучателя фокусируется в пределах полевой диафрагмы приемника световых импульсов 2, а светоделительная пластина 15 направляет световой поток на светонепроницаемый экран 17 дополнительного третьего приемника световых импульсов 16.
При этом электрический сигнал на выходе третьего приемника световых импульсов 16 отсутствует.
Если на защитном стекле 20 осаждаются капли дождя или мокрый снег, то в результате рассеяния часть светового потока оказывается за пределами полевой диафрагмы первого приемника световых импульсов 2, а светоделительная пластина направляет рассеянный свет за пределы светонепроницаемого экрана 17 на светочувствительную поверхность дополнительного третьего приемника световых импульсов 16, на выходе которого формируется электрический сигнал.
Этот электрический сигнал усиливается формирователем управляющего сигнала 19 и направляется на управляющий вход электронного ключа 18. Электронный ключ 18 блокирует выходной сигнал коммутатора измерительных каналов 10 и передает на выход базисного фотометра сигнал о наличии загрязнения защитного стекла 20.
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 №105992, МПК: G01J 1/44, опубл. 27.06.2011 г.- прототип.