ДАТЧИК ВЫСОТЫ ОБЛАКОВ

Полезная модель относится к области оптикоэлектроники и может быть использована в метеоприборах при измерении расстояний от земли до облаков.
Известен импульсный дальномер (авт. свид. СССР №124645 опубл. 18.12.1968 г), предназначенный для определения высоты облаков по измерению времени прохождения световым импульсом расстояния от передатчика до кромки облаков и отраженного импульса от облаков до приемного устройства, содержащий передатчик с импульсной лампой и приемник с фотоумножителем. Управление затворами прожекторов производится дистанционно от измерительно-управляющего блока. Как всякий прожектор (см. БСЭ) передатчик и приемник содержат параболические отражатели, в фокусах которых устанавливаются либо лампа, либо фотоприемник. Известен приемник солнечной энергии (пат. RU №2134174 опубл. 10.08.1999), в котором дан порядок выполнения параболического отражателя согласно уравнению параболоида вращения:
2
2
f
y=r:2r=r:4f, где
y - текущее значение высоты параболоида, в м;
r - текущее значение радиуса сечения нормального к оси вращения в м;
f
r - значение радиуса сечения, нормального к оси вращения и проходящего через фокус f;
f - фокус параболоида;
Наиболее близким к предлагаемому является датчик высоты облаков (авт. свид. СССР №124645, 1968 г.), включающий раздельно установленные передатчик и приемник световых сигналов с параболическими отражателями, в фокусах которых установлены соответственно либо импульсная лампа, либо фотоприемник, и измерительно-управляющий блок.
Однако в нем не даны конструктивные и оптические параметры отражателей, их соотношения, хотя именно они влияют на эффективность светолокации облаков. При выборе параметров отражателей желательно, чтобы их диаметр был максимально большим, однако, чтобы датчик не становился слишком громоздким. Слишком большие габариты датчиков снижают эффективность пользования, т.к. они становятся слишком тяжелыми для переноски и установки. Минимизация размеров датчиков ведет к снижению чувствительности измерений.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности светолокации и чувствительности прибора при сохранении веса, позволяющего осуществлять его перенос вручную.
Экспериментально нами было установлено, что при сравнительно небольшом диаметре отражателей, равном 330-400 мм, и определенном фокусном расстоянии обеспечивается высокая чувствительность измерений, а вес передатчика или приемника не превышает 50 кг.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в известном датчике высоты облаков, включающем раздельно выполненные передатчик и приемник световых сигналов с параболическими отражателями, в фокусах которых установлены либо импульсная лампа, либо фотоприемник, и измерительно-управляющий блок, диаметр параболических отражателей равен 330-400 мм, фокусное расстояние отражателя передатчика равно 98-110 мм, а фокусное расстояние отражателя приемника равно 150-280 мм.
В предлагаемом приборе диаметр отражателей оптимизирован таким образом, что при достаточной интенсивности световых пучков передатчик и приемник довольно легко переносимы (вес 45-50 кг), а фокусы отражателей (меньший у передатчика и больший у приемника) также рассчитаны под оптимальную интенсивность световых пучков. Прибор способен измерять высоту облаков в диапазоне 15...2000 м.
Заявленное устройство поясняется чертежом, где:
на фиг.1 представлена его схема, а на фиг 2 - схема параболического отражателя.
Цифрами и буквами на чертеже обозначены следующие конструктивные элементы.
1 - передатчик световых сигналов, 2 - приемник световых сигналов, 3 - параболический отражатель передатчика световых сигналов, 4 - параболический отражатель приемника световых сигналов, 5 - импульсная лампа, 6 - фотоприемник, 7 - измерительно-управляющий блок, Д - диаметр параболических отражателей, f - фокусное расстояние параболоида передатчика или приемника.
В предлагаемом датчике передатчик 1 и приемник 2 выполнены идентично в виде корпуса цилиндрического или квадратного сечения, в котором размещен параболический отражатель 3,4 диаметром 330-400 мм, в фокусе которого установлены соответственно либо импульсная лампа 5, либо фотоприемник 6. Путем расчета определено, что фокус параболоида передатчика должен быть в пределах 98-110 мм, а фокус параболоида приемника - 150-280 мм.
Запуск передатчика, синхронизация, прием, обработка и измерение сигнала производятся с измерительно-управляющего блока 7. При указанных параметрах отражателя передатчика световое пятно на облаках высотой 2000 м имеет диаметр 35 м (общий), а пятно с максимальной интенсивностью - 15 м, отраженный сигнал от этого пятна и воспринимается фотоприемником.
Распределение освещенности в световых пятнах показаны на расчетных диаграммах, где:
- диаграммы 1, 2, 3, 4 - освещенность в световом пятне на высоте 2000 м от отражателей передатчика с фокусом 94, 98, 106 и 110 мм;
- диаграммы 5 и 6 - освещенность в световом пятне на фотоприемнике для отражателей с фокусом 150 и 242 мм.
пр
пр
2
Как показывает диаграмма 1 и сравнение диаграмм 3 и 4, выход за нижний и верхний пределы заявляемого интервала фокусов отражателей передатчика или затемняет, или размывает центральную зону с максимальной интенсивностью светового пятна. Как видно из диаграмм 5 и 6 освещенность в воспринимаемом пятне более или менее равномерная (диаграмма для f=280 мм не приведена в силу ее малой информативности по сравнению с f=242 мм), однако из их сравнения видно, что уменьшение фокуса приводит к уменьшению освещенности по краю пятна. Из теории известно (Волосов Д.С., Цивкин М.В. «Теория и расчет светооптических систем» изд. «Машиностроение», 1960 г., стр.167), что общая освещенность в фокальной плоскости в точке на оси прямо пропорциональна SinU', где:
U' - угол между оптической осью и лучом, проходящим через край отражателя в его фокус, т.е. обратно пропорциональна фокусному расстоянию. Поэтому фокус отражателя приемника ограничен величиной 280 мм.
Таким образом расчеты подтвердили эффективность и чувствительность светолокации облаков при выбранных конструктивных параметрах параболических отражателей.
пер
пер
- диаграмма 7 - освещенность в световом пятне на высоте 2000 м от отражателя передатчика диаметром d=330 мм с фокусом f=98 мм;
пер
пер
- диаграмма 8 - то же, для d=400 мм и f=110 мм;
пр
пр
- диаграмма 9 - освещенность в световом пятне на фотоприемнике для отражателя диаметром d=330 мм и f=150 мм;
пр
пр
- диаграмма 10 - то же, для d=400 мм и f=280 мм.
пер
пр
Диаграммы 1-6 рассчитаны для среднего значения d и d, равного 354 мм, а диаграммы 7-10 - для крайних значений диаметров отражателей. Хотя для увеличения светового потока желательно иметь отражатели как можно большего диаметра, но это приводит к неприемлемому увеличению габаритов и веса прибора, что видно из приводимой ниже таблицы 1 с практическими примерами влияния диаметра отражателя на габариты и вес передатчика и приемника.
Таблица 1
Диаметр отражателя <img he="10" wi="9" file="00000002.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> (мм)
Вес отражателя <img he="10" wi="9" file="00000003.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> (кг)
Вес механических и электронных узлов в передатчике (приемнике) <img he="10" wi="9" file="00000003.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> (кг)
Габариты передатчика (приемника) <img he="10" wi="9" file="00000003.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> (мм)
Вес передатчика (приемника) <img he="10" wi="9" file="00000003.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> (кг)
330
0,7
22
470×470×500
35
400
0,9
560×560×540
52
Как следует из таблицы 1, при заявляемых диаметрах отражателя 330-400 мм вес передатчика (приемника) составляет 35-52 кг и габариты порядка 0,5×0,5×0,5 м, что обеспечивает их легкую транспортировку в район измерения, например, с помощью легкового транспорта, и установку на нужное место усилиями 1-2 человек.
пер
пр
При выбранном диапазоне диаметров отражателей главенствующую роль в концентрации световой энергии в центральной зоне светового пятна играет выбор диапазона фокусов отражателей передатчика и приемника. Как видно из диаграмм 7-10 предлагаемые в формуле диапазоны диаметров и фокусов отражателей и обеспечивают высокую интенсивность освещенности в центральной зоне, и тем самым повышение эффективности светолокации и чувствительности прибора. Из диаграммы 1 видно, что выход за нижний предел f затемняет в определенной мере центральную зону, а сравнение диаграмм 6 и 10 приводит к выводу, что дальнейшее увеличение фокуса f>280 мм не имеет практического смысла (освещенность изменяется незначительно).
Практическое использование предложенного прибора подтвердило эффективность и чувствительность светолокации облаков при выбранных конструктивных параметрах параболических отражателей.