основные пояснения - Российский государственный
реклама
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра экспериментальной физики атмосферы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13 ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОМЕТРА ФИ-1 по дисциплине: «Гидрометеорологические измерения» Направление – гидрометеорология Санкт-Петербург 2000 2 УДК 551.508. Лабораторная работа № 13 «Исследование импульсного фотометра ФИ-1» по дисциплине «Гидрометеорологические измерения».- С.-Пб.: РГГМУ, 2000, 28 с. Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения и перечень практических операций, выполняемых студентами. Отдельно выделены разделы, изучение которых обязательно только для студентов группы «И», специализирующейся по гидрометеорологическим измерениям. Составили: Бриедис Т.Е., ассистент, Григоров Н.О., доцент, Глушковский Б.И., зав.лаб., Саенко А.Г., ассистент Редактор: Кузнецов А.Д., зав. каф. ЭФА, проф. Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2000 г. 3 Целью данной работы является изучение оптической и электронной схем импульсного фотометра ФИ-1, предназначенного для наземных измерений метеорологической дальности видимости (МДВ) и прозрачности атмосферы. ОСНОВНЫЕ ПОЯСНЕНИЯ Фотометр ФИ-1 используется как отдельный прибор, так и в составе комплексных метеорологических станций (например, станции КРАМС). Принцип действия прибора следующий. Свет от источника – импульсной газоразрядной лампы – собирается оптической системой в слаборасходящийся пучок и зондирует участок атмосферы от фотометрического блока до отражателя. Отраженный пучок улавливается фотометрическим блоком. Его интенсивность зависит от прозрачности атмосферы (или от МДВ). Фотометрический блок измеряет интенсивность зондирующего пучка и таким образом определяется дальность видимости. Для расширения диапазона измерений прибор снабжен двумя отражателями. Ближний отражатель устанавливается на расстоянии 20 м от фотометрического блока и используется при малых значениях МДВ – от 50 до 600 м; дальний отражатель устанавливается на расстоянии 100 м и используется при значениях МДВ от 240 до 6000 м. Таким образом, диапазон измерения МДВ с помощью ФИ-1 составляет от 50 до 6000 м. Переход от режима работы с одним отражателем к режиму работы с другим отражателем осуществляется автоматически – при уменьшении МДВ ниже 300 м прибор переключается с дальнего отражателя на ближний, и при увеличении МДВ выше 600 м – с ближнего на дальний. Предусмотрена также возможность ручного переключения при любом значении МДВ. 4 ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ФОТОМЕТРА Оптическая схема фотометра изображена на рис. 2.а. Источником света является импульсная газоразрядная лампа (ИЛ). Лампа вспыхивает с частотой 50 Гц. Она формирует два пучка света – зондирующий и опорный. Зондирующий пучок проходит через объектив О, который превращает его в слаборасходящийся. Таким образом, зондирующий пучок попадает на оба отражателя – дальний (ОД) и ближний (ОБ). Дальний отражатель представляет систему (ОД) из а) пяти триппль-призм. Угол при вершине призмы равен Основным 90 (рис. 1). свойством каждой триппль-призмы 90 является отражение света в направлении к б) источнику. Таким образом, небольшое отклонение заданного оказывает отражателя от направления не влияния на работу прибора. Ближний отражатель (ОБ) представляет собой систему из L Рис. 1 а) триппель-призменный элемент дальнего отражателя (ОД) б) оптическая схема ближнего отражателя (ОБ) объектива и вогнутого зеркала (см. рис. 1). Изменяя расстояние L между зеркалом и линзой объектива, можно изменять угол расхождения отраженного пучка света, а значит, и яркость пучка. Дальний отражатель располагается на оптической оси прибора. Ближний отражатель смещен относительно оптической оси вниз и вправо. Благодаря этому, отраженные от ОД и ОБ пучки света идут по различным траекториям. 5 a З ЗС Д3 К2 К1 ОД О ИЛ Р Д2 100 м Д1 К1 КФ ОБ Л 20 м ФЭУ б Блок пит.ФЭУ 1 5 4 2 ФЧКоп 3 ПД К 6 7 ДУ ИСН ФЧКзонд в ФП Uвх П СК прозрачность Ф МДВ БР к цифровому вольтметру (м) (%) Рис. 2 Схема импульсного фотометра ФИ-1. а – Оптическая схема ФИ-1: ИЛ – импульсная газоразрядная лампа; О – объектив; ЗС – защитное стекло; ОБ, ОД – отражатели (ближний и дальний); З – сферическое зеркало; Д1, Д2, Д3 – диафрагмы; К1, К2 – оптические коммутаторы, Р – клинообразный рассеиватель, КФ – корректирующий фильтр. б - Блок-схема электрической части ФИ-1: ФЭУ – фотоэлектронный умножитель; ПД – пиковый детектор; К – электронный коммутатор; ФЧКзонд, ФЧКоп – фильтры частоты коммутации (зондирующий и опорный), ИСН – источник стабилизированного напряжения, Блок пит. ФЭУ – блок регулирования напряжения питания ФЭУ. в - Блок-схема функционального преобразователя: П - преобразователь, СК согласующие каскады, Ф - формирователь, БР - блок релейный. 6 Оба световых пучка поступают на вогнутое зеркало (З) (см. рис. 2.а). Световой пучок от дальнего отражателя проходит через диафрагму Д2, расположенную на оптической оси прибора, а пучок от ближнего отражателя – через диафрагму Д3, расположенную несколько выше оптической оси. Для того, чтобы воспользоваться одним из отражателей, нужно открыть одну из диафрагм, а вторую закрыть. Это делается с помощью оптического коммутатора К2. Для определения МДВ необходимо измерить яркость зондирующего пучка. Но его яркость зависит не только от МДВ, но и от интенсивности свечения лампы. В процессе измерений лампа может менять свою яркость, следовательно, будет изменяться яркость зондирующего пучка. Для исключения зависимости выходного напряжения от яркости лампы вводится опорный канал. Опорный пучок света проходит через диафрагму Д1 (см. рис. 1.а). Оба пучка – зондирующий и опорный – попадают на клинообразный рассеиватель Р, и далее рассеянный свет идет на катод фотоумножителя. Для обеспечения очередности поступления на рассеиватель опорного и зондирующего пучков предусмотрен оптический коммутатор К1, закрывающий по очереди диафрагмы Д1 и Д2 (в случае работы с ОД) или Д1 и Д3 (при работе с ОБ). Частота коммутации световых пучков составляет 0,25 Гц. Таким образом в течение двух секунд на рассеиватель попадает зондирующий пучок, в течение следующих двух секунд – опорный. В свою очередь каждый из пучков модулируется частотой 50 Гц – именно с такой частотой вспыхивает импульсная лампа. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) преобразует световые импульсы в импульсы электрического тока. Для приведения чувствительности ФИ-1 к чувствительности глаза в оптической схеме предусмотрен корректирующий фильтр (КФ). Защитное стекло (ЗС) предохраняет прибор от воздействия влаги и пыли. 7 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ФОТОМЕТРА Блок-схема электрической части фотометра изображена на рис. 2.б. Такая же схема изображена на боковой панели измерительного блока прибора ФИ-1, установленного в лаборатории. Схема имеет гнезда, которые соединены с соответствующими точками в реальной схеме. Электрический сигнал, снимаемый с выхода ФЭУ (гнездо 2 на рис.2.б), по сути дела подобен оптическому сигналу, поступающему на катод ФЭУ. Вид этого сигнала – эпюра его напряжения – показан на рис. 3 а. Это же напряжение, но снимаемое с нагрузки ФЭУ при измерениях днем, изображено на рис. 3 б. Постоянная составляющая напряжения U0 обусловлена попаданием на катод дневного света. Предположим, что пришедший в фотометрический блок зондирующий сигнал ослабился в атмосфере и его интенсивность стала меньше, чем интенсивность опорного сигнала. Тогда в течение двух секунд ФЭУ сформирует 100 импульсов (зондирующих) малой амплитуды, в течение следующих двух секунд – 100 больших импульсов (опорных), и так далее. Пиковый детектор (ПД), содержащий RC-фильтр, настроен на частоту 50 Гц, ПД отфильтрует постоянную составляющую U0 и продетектирует входной сигнал. На выходе ПД (гнездо 3 на рис.2.б) будет напряжение, представляющее собой огибающую входных импульсов, рис. 3 в. Далее с помощью электронного коммутатора К сигнал расходится по двум каналам: опорному и зондирующему. Электронный коммутатор работает синхронно с оптическим коммутатором К1, изображенным на оптической схеме (см. рис. 2.а). 8 UФЭУ оп. а) зонд. 1 2 зонд. 3 . . . . 98 99 100 t UПД б) U0 2 4 t U в) UвхФЧКзонд t г) UвхФЧКоп t д) UвыхФЧКзонд t е) (заряд) (разряд) (заряд) t Рис. 3 Эпюры напряжения в различных точках схемы 9 В фильтр частоты коммутации опорного сигнала (ФЧКоп) напряжение поступает лишь в интервалы времени восприятия опорного сигнала, в фильтр частоты коммутации зондирующего сигнала (ФЧКзонд) – в интервалы времени, соответствующие прохождению зондирующего сигнала. Сигналы, поступающие на входы ФЧКзонд и ФЧКоп (гнезда 4 и 5 на рис.2.б) имеют вид, изображенный на рис. 3 г и 3 д. Фильтры частоты коммутации представляют собой детектирующие звенья с большим значением постоянной времени, настроенные на частоту коммутации 0,25 Гц. Эпюра напряжения, снимаемого с выходов ФЧК (например ФЧКзонд - гнездо 7 на рис.2.б), показана на рис. 3.е. Это практически постоянное напряжение с небольшими колебаниями, обусловленными процессами заряда – разряда детектирующей емкости. Напряжение, снимаемое с выхода ФЧКзонд, как уже говорилось, зависит от прозрачности атмосферы и от яркости источника света. Это обстоятельство не позволяет использовать выходное напряжение ФЧКзонд для измерения прозрачности атмосферы без введения в прибор устройства, которое уничтожает такую неоднозначность. Идея этого устройства заключается в следующем. Представим себе, что напряжение питания ФЭУ можно регулировать. Тогда, если яркость лампы ослабевает, а следовательно уменьшается амплитуда световых импульсов, приходящих на катод ФЭУ, будем увеличивать напряжение питания, что приведет к увеличению амплитуды выходных электрических импульсов. Эта операция должна осуществляться автоматически. Опорный канал схемы как раз и предусмотрен для такого автоматического управления напряжением питания ФЭУ. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода ФЧКоп, зависит только от яркости лампы. Подадим его на один из входов дифференциального усилителя (ДУ), а на второй его вход – постоянное стабилизированного напряжения (ИСН). напряжение от источника 10 Дифференциальный усилитель усиливает разность между ними. Эта разность может иметь разный знак в зависимости от того, какое из напряжений больше. Если напряжения на обоих входах равны, то на выходе ДУ будет ноль. Напряжение с ДУ управляет блоком питания ФЭУ. Блок питания ФЭУ увеличивает или уменьшает напряжение питания ФЭУ в зависимости от знака поступившего на него напряжения с ДУ, тем самым увеличивая или уменьшая амплитуду выходных импульсов с нагрузки ФЭУ. Такая цепь отрицательной обратной связи приводит к тому, что напряжение с выхода ФЧКоп всегда равно напряжению, поступающему с ИСН, а если это равенство нарушается, то цепь обратной связи через ДУ – Блок пит. ФЭУ – ФЭУ – его восстанавливает. Тем самым, уничтожается зависимость напряжения с ФЧКзонд от яркости лампы, и теперь это напряжение может служить мерой прозрачности атмосферы. Таким образом, на выходе ФЧКзонд создается напряжение, пропорциональное прозрачности атмосферы. Для преобразования его в напряжение, пропорциональное дальности видимости, в состав прибора входит еще один отдельный блок - функциональный преобразователь. Его блок-схема изображена на рис. 2.в. Как известно (см., например, [1]), ослабление светового потока на длине пути l в атмосфере происходит по закону Бугера: J J 0 e l где - коэффициент ослабления, l – длина пути светового потока в атмосфере, J0 – яркость источника света. Выражая отсюда J , имеем: J0 J e l T l , J0 где Т – коэффициент пропускания слоя атмосферы единичной длины, т.е. (1) 11 Т = е -. Значение МДВ получим из уравнения Кошмидера: МДВ где ln ln l Ф ln T ln Ф0 - порог контрастной чувствительности глаза, равный примерно 0,03. Принимая значения l и постоянными, приходим к выводу, что для перевода значения напряжения U, пропорционального коэффициенту Т, в физическую величину F, пропорциональную МДВ, необходимо осуществить следующее преобразование: F где A ln U (2) А = const. Преобразователь П (см. рис. 2.в) осуществляет такое преобразование. Он представляет собой мультивибратор с управляемой частотой, причем элементом, задающим частоту мультивибратора, является выходное напряжение с ФЧКзонд . При этом частота F мультивибратора связана с напряжением U выражением (2). Дальнейшая задача - измерение частоты может быть легко решена с помощью стандартных цифровых приборов. Согласующие каскады СК необходимы для согласования входного сопротивления формирователя с выходным сопротивлением преобразователя. Формирователь Ф выполнен по схеме ждущего мультивибратора, нагруженного на интегрирующую RC-цепочку. Частота импульсов на выходе ждущего мультивибратора равна частоте выходного импульсного сигнала с формирователя, а их амплитуда и длительность являются постоянными величинами. Интегрирование такого сигнала преобразует его в постоянное напряжение, значение которого определяется частотой импульсов, т.е. функционального МДВ. Стрелочный преобразователя прибор может на передней показывать панели прозрачность 12 атмосферы и метеорологическую дальность видимости. Переключатель располагается под крышкой, находящейся на передней панели ПФ. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» Разберем теперь некоторые особенности принципиальной электрической схемы фотометра. I. Узел фотоумножителя (рис. 4). Фотоумножитель ФЭУ-84 питается от источника питания, представляющего собой две последовательно включенных схемы с удвоением напряжения. Питание подается Двенадцать дополнительных электродов через контакты 7, 20. ФЭУ– динодов – соединены с делителем напряжения R1-R14. Электрический сигнал с анода ФЭУ подается на обмотку трансформатора Т1, который усиливает амплитуду сигнала (его коэффициент передачи 1 : 4). Вместе с конденсатором С1 трансформатор Т1 пропускает только переменную составляющую сигнала. Таким образом, постоянная составляющая U0 (рис. 3.б) не проходит в дальнейшие каскады. С конденсатора С1 импульсы поступают на фильтр C3-R3, настроенный на частоту 50 Гц и далее на сетку лампы катодного повторителя. Катодный повторитель необходим для согласования нагрузки ФЭУ со входом пикового детектора. Катодный повторитель собран на двух лампах VL1а и VL1б, причем катод VL1а соединен с анодом VL1б. Первоначально верхняя лампа VL1а закрыта. Когда на ее сетку подают импульсы положительной полярности, она приоткрывается. Напряжение на ее катоде возрастает, а на аноде – падает. С анода VL1а инвертированный сигнал через разделительный конденсатор С7 поступает на сетку нижней лампы VL1б. Лампа VL1б призакрывается, ее сопротивление увеличивается и, следовательно, увеличивается напряжение на ее аноде. С катода лампы VL1а снимается усиленный положительный сигнал, который складывается с возрастающим напряжением анода лампы VL1б. Таким образом, 13 происходит резкое усиление амплитуды сигнала. Нагрузка для VL1б меняется в зависимости от величины сигнала и сопротивления VL1а. Такое включение лампы называется каскадом с динамической нагрузкой. Выходной сигнал через конденсатор С8 поступает на развязывающий трансформатор Т2. Со вторичной обмотки трансформатора Т2 усиленные по амплитуде импульсы подаются на вход пикового детектора через контакты16 и 11. На схеме показаны экранированные провода, соединенные с контактами 7, 16, 11. Экраны соединены между собой и с корпусом через емкость С9 – контакт 19. II. Пиковый детектор (рис. 5) Блок пикового детектора кроме собственно детектирующих элементов (VD1, C2, R9) содержит катодные повторители, собранные на левой и правой половинах лампы VL1, и эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VТ1. С выхода блока фотоумножителя через контакты 16 и 11 сигнал подается на сетку левой половины лампы VL1, работающей в режиме катодного повторителя. Усиленный по мощности сигнал с катода VL1 поступает на базу транзистора VТ1, который еще больше повышает мощность сигнала. Далее через емкость С1 и диод VD1 импульсы напряжения подаются на фильтр С2-R9, который непосредственно и является пиковым детектором. Конденсатор С2 заряжается в течение импульса. В промежутках между импульсами происходит незначительный разряд конденсатора С2 через резистор R9. Значения С2 и R9 выбраны так, что в промежутках между импульсами конденсатор успевает разрядиться не более, чем на 20-25 % от исходного напряжения. Таким образом, в течение времени прохождения одного из потоков – опорного или зондирующего – на верхней обкладке С2 формируется практически постоянное напряжение, эпюра которого представлена на рис. 3.в. R1 Т1 R14 VL Рис. 4 Принципиальная схема фотоумножителя X2 C9 R2 R3 7 20 19 16 11 C1 C2 R1 C5 R4 C4 C3 R7 C7 R6 C6 VL1б VL1а R5 C8 Т2 + 14 R2 R1 R3 C1 VT1 VL1а R4 R6 XS1 R5 VD1 Рис. 5 Принципиальная схема пикового детектора R9 R8 C2 R12 12 24 23 25 33 R11 R10 19 46 11 16 17 20 R7 VT2 XS3 VL1б Х3 VD1 VD2 VD5 VD3 + Uпит (1 В) + Uпит (200 В) VD6 VD4 к ФЧКоп к ФЧКзонд 15 16 При изменении амплитуды импульсов, например при переходе от опорного к измерительному пучку света, напряжение на конденсаторе должно резко измениться. В этот момент конденсатор С2 необходимо быстро разрядить, т.е. замкнуть его через малое сопротивление. Эту функцию выполняет транзистор VT2. В обычном положении он закрыт, но в момент смены потоков из генератора частоты коммутации с контакта 46 через резистор R5 на его базу подается короткий импульс напряжения, транзистор открывается и конденсатор быстро разряжается через VT2 на малое сопротивление R8. Начинается новый цикл заряда конденсатора. Продетектированное таким U образом напряжение, вид которого представлен на рис. 6, с верхней обкладки С2 поступает на t выходной катодный повторитель (правая половина VL1). Отрицательные выбросы Рис. 6 Эпюра напряжения на конденсаторе С2 напряжения обусловлены разрядом конденсатора С2 перед каждой сменой потоков.Усиленный по мощности сигнал снимается с катода правой половины VL1 и подается на коммутатор К (см. рис. 2.б), который разделяет напряжение по двум каналам: измерительному и опорному. Коммутатор собран на оптронных парах VD1-VD6. Оптрон представляет собой пару светодиод – фотодиод, помещенную в общий корпус. Фотодиод пропускает ток только тогда, когда зажигается светодиод, т.е. когда через светодиод проходит ток. Оптронные пары VD1 - VD2 должны пропускать только положительные сигналы и не пропускать отрицательные выбросы. Поэтому они почти всегда открыты, закрываясь лишь в моменты смены потоков. Тем самым они не пропускают, как бы “вырезают” эти выбросы. Конечно, за счет этого, импульсы на выходе укорачиваются по сравнению с изображенными на рис. 3.в, но незначительно в сравнении с длительностью 17 импульса. Оптроны закрываются с частотой 0,5 Гц при приходе сигнала с контакта 12 от генератора частоты коммутации. Если оптроны открыты, т.е. на нижние светодиоды подается напряжение, то сигнал проходит дальше на оптронные пары VD3-VD4 или VD5-VD6. Нижняя VD5-VD6 и верхняя VD3-VD4 пара оптронов открывается по очереди управляющими сигналами с мультивибратора через контакт 23 (верхняя пара) или 25 (нижняя пара). Таким образом, опорный сигнал идет через нижнюю пару, а зондирующий - через верхнюю. III. Измерительный канал (рис. 7). На вход измерительного канала поступает сигнал, изображенный на рис. 3.г. Через R13 импульсы попадают на сетку левой половины лампы VL2а. Внизу стоит фильтр С5- R14. Это фильтр частоты коммутации – ФЧКзонд, настроенный на частоту коммутации – 0,25 Гц. Значения емкости и сопротивления выбраны здесь очень большими. В принципе ФЧКзонд работает также, как пиковый детектор. Таким образом, на верхней обкладке С5 (т.е. на сетке левой половины VL2а) формируется практически постоянное напряжение. Кнопка «Сброс» (SB) отключает анод лампы VL2а от источника питания, при этом конденсатор С5 быстро разряжается на резистор R14, что необходимо, например, для настроечных работ. Таким образом, на катоде левой половины VL2а формируется напряжение, зависящее от МДВ, однако оно складывается с другим напряжением, также постоянным, обусловленным питанием лампы VL2а. Это напряжение необходимо уменьшить на величину, равную этой постоянной составляющей. Для этого служит источник питания, который представляет собой схему удвоения с выпрямления – С6, С7, VD14, VD13. На вход схемы (контакты 36, 37) поступает переменное напряжение. Через диоды VD13 и VD14 конденсаторы С6 и С7 заряжаются по очереди, С6 – во время положительного полупериода на правом входе схемы через 18 диод VD13, С7 – во время отрицательного через диод VD14. Так как емкость их значительна, они не успевают разрядиться и заряженные конденсаторы оказываются соединенными последовательно, напряжения на них складываются (удваиваются), и с выхода снимается удвоенное напряжение. Напряжение со схемы удвоения, стабилизированное цепочкой стабилитронов VD10 - VD12, подается навстречу напряжению с катода лампы VL2а. С сопротивления R16 снимается разность напряжений, которая идет в функциональный преобразователь (ФП) через контакт 14. Вид этого напряжения (гнездо 7 на рис. 2.б) иллюстрирует рис. 3.е. IV. Опорный канал (рис. 7). С оптронных пар VD5 – VD6 через резистор R18 на сетку правой половины лампы VL2б подается напряжение, вид которого представлен на рис. 3.д. Резисторно-емкостной фильтр R19-С9 аналогичен фильтру частоты коммутации измерительного канала. Правая половина VL2б включена по схеме катодного повторителя с положительной обратной связью через С10. Напряжение на катоде VL2б зависит только от яркости источника света. Теперь это напряжение необходимо сравнить с постоянным напряжением с ИСН. В качестве элемента сравнения используется транзистор VТ3 n-p-n- типа. Напряжение с катода VL2б с делителя R20- R21 и резистора R23 поступает на эмиттер VТ3. На базу этого же транзистора подается второе стабилизированное напряжение от стабилизатора R23 — VD15 - VD18. Через транзистор VТ3 осуществляется питание ФЭУ (контакты 10 и 19). Схема регулировки напряжения питания ФЭУ представлена на рис. 8. Ток коллектора VТ3 зависит от соотношения напряжений на его базе и эмиттере. вход ФЧКоп вход ФЧКизм R14 +Uпит R13 C5 XS2 R15 C4 SB VD12 VD11 C6 + C7 + 14 48 36 37 47 10 13 19 R16 VD10 VL2а Х5 VD14 VD13 C9 R18 C8 R19 R20 VL2б R21 C10 R23 VD17 VD18 VD15 VD16 C11 VT3 R25 XS4 VD21 R22 VD19 VD22 VD20 19 Рис. 7 Принципиальная схема измерительного и опорного каналов 20 Если например, на эмиттере напряжение растет (в результате возрастания яркости лампы), то транзистор призакрывается, его сопротивление увеличивается, и напряжение питания ФЭУ уменьшается. При уменьшении напряжения на приоткрывается, эмиттере напряжение VТ3 на происходит ФЭУ обратное: возрастает. транзистор Таким образом, напряжение на эмиттере транзистора всегда равно напряжению на его базе. Транзистор в данном случае выполняет роль дифференциального усилителя. Таким образом оказываются последовательно соединенными ФЭУ, транзистор VT3 и блоки питания, содержащие схемы удвоения напряжения. Гнезда XS1 XS4, расположенные, как и другие контрольные гнезда, на боковой панели фотометрического блока, дают возможность проконтролировать напряжения в различных узлах схемы фотометра. Как уже упоминалось, гнездо XS2 соединено с выходом прибора (7 на рис. 2.б). Гнездо XS3 соответствует выходу пикового детектора (3 на рис. 2.б), а гнездо XS4 - напряжение на коллекторе транзистора VT3, которое управляет питанием ФЭУ. На контрольной схеме, приведенной на боковой панели прибора, используемого в лаборатории, это гнездо не выведено. U питан. транз. U сравн. Rн = 22к ФЭУ U опорн. канала Блок питания 1 Блок питания 2 Рис. 8 Схема регулировки напряжения питания ФЭУ 21 V. Генератор частоты коммутации (рис. 9). Генератор частоты коммутации (ГЧК) собран на транзисторах VT1, VT2, VT3. Он вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения, которые управляют триггером на транзисторах VT5, VT6. Кроме этого, импульсы с ГЧК управляют электронным коммутатором - оптронными парами, пропускающими электрический сигнал в измерительный или опорный канал, и транзистором VT2, разряжающим конденсатор пикового детектора. Блок - схема генератора частоты коммутации (ГЧК) изображена на рис. 10. Частота генератора равна 0,5 Гц и определяется постоянной времени сопротивления R8 и конденсатора С5. С эмиттерного повторителя на VT4 снимаются импульсы, которые через дифференцирующий конденсатор С10 подаются на транзистор VT2 (см. рис. 5). Последний открывается на время переключения генератора. Коммутатор К Оптопары VD1-VD2 Оптопары VD3-VD6 ЭМ ОД ГЧК Р Триггер ЭМ ОБ Транзистор VT2 ПД Рис. 10 Блок-схема ГЧК Время определяется емкостью дифференцирующего конденсатора С10 рис. 11. С этого же эмиттерного повторителя через стабилитрон VD5 подается сигнал на контакт 12. Он открывает оптроны VD1, VD2. Через конденсатор С6 импульсы с генератора подаются на триггер, собранный на транзисторах VT5, VT6. Он играет роль делителя частоты 22 коммутации генератора. Если частота генерации импульсов – 1 Гц, то частота выходных импульсов триггера 0,5 Гц. Ток эмиттера VT5, когда он с VT4: открыт, идет через оптрон VD5, VD6 (см. рис. 5), а ток эмиттера VT6 открывает c C10: транзисторный Рис. 11 Результат дифференцирования напряжения конденсатором С10 оптрон VT7 и фотодиоды VD3, VD4 (см. рис. 5). Транзисторный оптрон VT7, открываясь, управляет работой электромагнитов (ЭМ), которые в свою очередь управляют оптическими шторками, позволяющими проходить свету от ближнего или дальнего отражателя. В приборе ФИ-1 предусмотрены две пары шторок и два управляющих ЭМ. Первая пара пропускает опорный и зондирующий пучки от ОД, вторая пара - опорный и зондирующий пучки от ОБ. Таким образом, открывая соответствующую пару оптронов, ГЧК пропускает электрический сигнал в измерительный или опорный канал. Питается ГЧК от однополупериодного выпрямителя (на схеме не показан). Конденсатор С3 и сопротивление R22 фильтруют напряжение питания, а стабилитрон VD3 стабилизирует и делает его равным 47 В. Плюс питания подается через резистор R22. Рассмотрим процесс генерирования импульса. Заряжающиеся емкости С5 и С15 стоят в эмиттерной цепи. Разрядка их происходит через резистор R5, подключенный к источнику напряжения. На верхний провод схемы подается отрицательное напряжение (земля), а на нижний провод (+Uпит) – положительное. Первоначально левая обкладка конденсатора С5 имеет отрицательный потенциал, а правая – положительный. Так как эмиттер VT1 заряжен отрицательно относительно базы, то он закрыт. Следовательно, на коллектор VT1 поступает напряжение с отрицательного полюса источника питания. Далее оно поступает на базу VT2 и открывает его. Тогда на эмиттере VT2 – 23 отрицательное напряжение. Оно подается на базы транзисторов VT3 и VT4, тем самым открывая их. На эмиттерах транзисторов VT3 и VT4 – отрицательное напряжение. В это время конденсатор С5 перезаряжается через диод VD4 и резистор R9 от источника положительного напряжения, приходящего через контакт 13. Поскольку сопротивления R5 и R9 достаточно велики, то перезарядка конденсатора происходит медленно (время перезарядки около 1 с). Напряжение на левой обкладке конденсатора С5 растет. Как только оно станет больше напряжения базы VT1, транзистор VT1 открывается. Через открытый транзистор VT1 на базу транзистора VT2 приходит положительное напряжение. Закрываются транзисторы VT2, VT3 и VT4. На их эмиттерах образуется положительный скачок напряжения. Формируется передний фронт импульса. Однако, теперь конденсатор С5 снова перезаряжается через открытый транзистор VT1 и резистор R8. Сопротивление R8 на порядок меньше, чем R9, поэтому обратная перезарядка С5 осуществляется очень быстро – примерно за 0,05 с. В результате напряжение на эмиттере VT1 становится меньше напряжения на базе, VT1 снова закрывается. Соответственно, VT2, VT3 и VT4 открываются, напряжение на их эмиттерах резко падает. Формируется задний фронт импульса – рис. 12. Подчеркнем, что задающими элементами генератора являются конденсатор С5, резисторы R5, R8 и R9. Генератор работает на одном T транзисторе VT1. Этот генератор Т резко несимметричный. 20 Рис. 12 Импульсы, вырабатываемые ГЧК Большую часть времени транзистор VT1 находится в закрытом состоянии, а транзисторы VT2, VT3 и VT4 – в открытом. C3 C15 R5 VT1 VD3 R6 C5 VT2 R4 C6 VD5 R13 C6 R11 VT5 VD8 VD11 R17 C9 X6 R18 R16 R15 C1 0 15 13 46 12 24 25 К4.8 33 23 К1.4 26 22 R10 VT4 R9 VD4 VT3 R8 XS1 R14 C11 VD13 R20 R19 R21 VT6 R23 VT7 C12 VD19 24 Рис. 9 Принципиальная схема генератора частоты коммутации 25 Скважность генератора, то есть отношение периода импульсов к длительности импульса равна примерно 20.Кроме перечисленных основных узлов, в состав фотометрического блока входит узел импульсной лампы и блок питания. Узел импульсной лампы обеспечивает питание газоразрядного строботрона ИСШ-7, который используется в качестве источника света. Схема питания строботрона стандартная, причем параметры подобраны так, чтобы частота вспышек составляла 50 Гц. Напряжение питания лампы (около 1000 В) получается с помощью схемы удвоения, которая вместе с силовым трансформатором входит в состав блока питания. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Включите прибор в сеть. Для этого поставьте тумблер «сеть» на щитке питания в положение «220 В» (щиток питания находится на стене). Включите тумблер «сеть» на панели измерительного блока. Убедитесь в том, что напряжение поступает на прибор, по зажиганию индикаторной лампы «сеть» измерительного блока. Переключите тумблер "Авт – Ручн" в положение "Ручн". Переключите тумблер «ОД-ОБ» в положение «ОБ», а услышав характерные щелчки коммутатора, переведите его снова в положение «ОД». 2. Наденьте на переднюю часть фотометрического блока специальное устройство (оптический замыкатель), снабженное поворачивающей призмой, диафрагмой и щелью для светофильтров. Измерительный пучок при этом не выходит из прибора, а отражается назад поворачивающей призмой, проходя через диафрагму и один из установленных светофильтров. Величина диафрагмы регулируется двумя винтами на оптическом замыкателе. Не вставляя светофильтр, вращайте эти винты и установите стрелку измерительного блока на отметку «100 %». Таким образом, измерительный пучок, проходящий через оптический замыкатель, уравнивается с измерительным пучком при измерении в реальных условиях при 100 % прозрачности атмосферы. 26 Внимание! Поскольку период коммутации составляет 2 секунды, стрелка двигается к устанавливающемуся положению очень медленно, рывками. Это необходимо учитывать при настройке и регулировать величину диафрагмы медленно, каждый раз дожидаясь, пока стрелка не установится в новом положении. Получите у лаборанта набор контрольных светофильтров. Вставьте их по очереди в щель оптического замыкателя и измерьте прозрачность каждого из них по стрелочному прибору. Запишите полученные значения прозрачности и соответствующие им значения дальности видимости по дальнему отражателю (в положении ОД). Затем проверьте канал измерения с ближним отражателем. Для этого переведите прибор в режим работы с ближним отражателем, переключив тумблер измерительного блока в положение «ОБ» и повторите настройку диафрагмы и измерения прозрачности светофильтров. Какую разницу в показаниях прибора в обоих режимах Вы заметили? 3. С помощью осциллографа проведите наблюдение эпюр напряжений в различных точках электрической схемы прибора. При снятии эпюр безразлично в каком режиме - ОД или ОБ - работает прибор. 3.1 Включите осциллограф. Гнездо "1" (земля) соедините с гнездом "” осциллографа. Подайте на первый канал осциллографа сигнал с гнезда "2" (выход ФЭУ). Установите ручку осциллографа "время/дел" в такое положение, чтобы на экране можно было видеть несколько импульса коммутатора. Зарисуйте эту эпюру. Измените скорость движения луча осциллографа так, чтобы можно было наблюдать отдельные пики напряжения, сигнализирующие о вспышках импульсной лампы. Измерьте период этих пиков - вспышек и вычислите частоту. 3.2 Подайте на второй канал осциллографа напряжение с гнезда "3" (выход пикового детектора). С помощью переключателей "Вольт/дел" и "Время/дел" добейтесь наглядной картины на экране. Зарисуйте пару эпюр. При этом учтите, что из-за медленного движения 27 луча по экрану осциллографа эпюра, представляющая собой след луча, не видна целиком и приходится рисовать след светового луча на экране. Измерьте частоту коммутации. 3.3 Вставьте в оптический замыкатель один из светофильтров и снова зарисуйте пару эпюр. В чем отличие между ними и теми, которые были получены без светофильтров? Выньте светофильтр. 3.4 Теперь подайте на первый вход осциллографа сигнал с гнезда "4" (вход ФЧКоп), а на второй - с гнезда "6"" (вход ФЧКзонд). Снова зарисуйте пару эпюр. В чем отличие между ними? Вставьте светофильтр в оптический замыкатель и снова зарисуйте пару эпюр. Какая из них изменилась после появления светофильтра? Почему? Выньте светофильтр. 3.5 Подайте на первый вход осциллографа сигнал с гнезда "6"(вход ФЧКзонд), а на второй - с гнезда "7" (выход ФЧКзонд). Зарисуйте эпюры напряжения. В чем отличие между ними? Вставьте светофильтр в оптический замыкатель и наблюдайте изменение эпюр. На основании Ваших наблюдений сделайте вывод о том, какую функцию исполняет фильтр частоты коммутации. Выньте светофильтр. 3.6 Подайте на первый вход осциллографа сигнал с гнезда "5" (выход ФЧКоп) а на второй - с гнезда "7" (выход ФЧКзонд). Вставляя и вынимая светофильтр из оптического замыкателя, наблюдайте изменение эпюр напряжения. Зарисуйте эпюры напряжения и их изменение при наличии светофильтра. Объясните наблюдения. 4. Выключите осциллограф из сети. Выключите измерительный и фотометрический блоки. Уберите свое рабочее место. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ Отчет должен содержать: 1. Цель работы и краткие сведения из теории с приложением чертежа функциональной схемы ФИ-1, где отмечены контрольные точки. 28 2. Порядок Ваших действий при выполнении работы. 3. Значения прозрачности (и соответствующей дальности видимости) всех светофильтров, измеренных по дальнему и ближнему отражателю. Выводы, сделанные при сравнении измерений по ОД и ОБ. 4. Рисунки эпюр напряжений, полученных при выполнении работы, с указанием контрольных точек, с которых сняты эпюры (всего 9 пар эпюр). Значения частоты модуляции (частоты вспышек лампы) и частоты коммутации, измеренные с помощью осциллографа. Выводы, сделанные в результате сравнения эпюр. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Для какой цели в приборе ФИ-1 вводится опорный канал? 2. Почему в приборе ФИ-1 используется два отражателя? Как осуществляется переключение режимов работы с одного отражателя на другой? 3. Почему для измерения МДВ в приборе ФИ-1 используется модулированный световой пучок? 4. Какую роль выполняет измерительный блок? 5. Предположим, что в приборе вышел из строя ФЧК оп. Как изменится работа прибора? Будет ли он давать показания? РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах. Под ред. Афиногенова Л.П. и Романова Е.В. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.- 295 с. 2. Фотометр импульсный ФИ-1. Техническое описание. ДЩ 2.845.009.
