УДК 551
реклама
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего образовательного профиля РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра экспериментальной физики атмосферы ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРАТОРА ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ РДВ-1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 по дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. Направление - Гидрометеорология Специальность - Метеорология РГГМУ Санкт - Петербург 2004 2 УДК 551.508 «Исследование регистратора дальности видимости». Лабораторная работа №12 по дисциплине «Методы и средства гидрометеорологических измерений». СПб, : РГГМУ, 2004, 24 с. Лабораторная работа составлена на основе типовой программы дисциплины, читаемой студентам – метеорологам. Описание содержит краткие теоретические сведения и перечень операций, выполняемых студентами. В работе применяется прибор РДВ – I, который незначительно отличается от последующих модификаций РДВ – 2 и РДВ – 3. Текст описания несколько изменен в 2004 г. Добавлены указания особенностей прибора РДВ-3 по сравнению с более ранними модификациями. Составители - проф. Л.И. Дивинский, доц. Н.О. Григоров Редактор - проф. А.Д. Кузнецов © Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2004. 3 Цель работы: изучение конструкции и принципа действия прибора РДВ–I, методики работы с прибором, и проведение измерений дальности видимости. Студенты группы «И» дополнительно знакомятся с принципиально новой схемой усилителя сигнала разбаланса и исследуют его амплитудную и частотную характеристики. КРАТКОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИБОРА Регистратор дальности видимости предназначен для непрерывных дистанционных измерений и регистрации метеорологической дальности видимости в диапазоне 250 – 6000 м с погрешностью порядка 10% (погрешность зависит от диапазона измерений и при больших дальностях может доходить до 20%) . Метеорологическая дальность видимости Sм зависит от прозрачности атмосферы. В светлое время суток под метеорологической дальностью видимости понимают наибольшее расстояние, с которого можно различить на фоне неба вблизи горизонта черный объект, угловые размеры которого превышают 15 угловых минут. В ночное время – расстояние, на котором можно было бы при существующей прозрачности воздуха видеть такой объект в светлое время суток. Световой поток, проходя через оптически однородную атмосферу, ослабевает по экспоненциальному закону: Ф=Ф 0 exp(- Z), где Ф – величина светового потока, ослабленного атмосферой. Измеряется в люменах (лм); Ф 0 - величина светового потока до его поступления в ослабляющую среду; - коэффициент ослабления (м 1 ); Z – длина пути светового потока в атмосфере (м). Коэффициент ослабления = 1 l0 (I) l o - длина пути, на котором световой поток ослабевает в е раз (е где = 2,718). Метеорологическая дальность видимости зависит от способности глаза различать контраст яркости двух объектов – неба у горизонта и 4 черного тела на его фоне. Если ε - порог чувствительности глаза, то метеорологическая дальность видимости SM 1 ln 1 (1) Обычно считается, что порог контрастной чувствительности глаза ε = 0,035 (3,5 %), т.е. что глаз может различать два соприкасающихся друг с другом объекта, если яркости их поверхностей различаются на 3,5 % и больше. Учитывая (I) и (2), имеем: SM Z ln 1 ln ФФ0 (3). Если предположить, Z = I км, то зная как ослабляется поток в оптически однородной среде на этой дистанции и вводя понятие коэффициента прозрачности Ф (1км ) , Ф где Ф ( I км) – величина светового потока, ослабленная слоем среды протяженностью в I км, получаем: Sм= 1(км ) 1 . ln ln (4). Сопоставляя ( 2 ) и ( 4 ), видим, что = - ln . Вышеприведенные закономерности распространения световых потоков в атмосфере явились основополагающими при разработке РДВ–I. Метод определения метеорологической дальности видимости, используемый в РДВ–I, основан на сопоставлении двух световых потоков: Ф – ослабленного атмосферой, в которой он проходит фиксированный ( в данном приборе двухсотметровый) путь, и исходного светового потока Ф0 . 5 Для более точного измерения соотношения двух потоков Ф /Ф0 в приборе использован компенсационный нулевой метод, сущность которого заключается в следующем: от лампы накаливания с помощью оптической системы формируются два световых потока. Один, называемый измерительным, проходит через двухсотметровый слой атмосферы, ослабляется аэрозолями и возвращается в прибор на фотоэлемент. Второй, называемый опорным, или потоком сравнения, проходит на фотоэлемент внутри прибора. Кроме того, на фотоэлемент в светлое время суток попадает дневной свет. Для того, чтобы избавиться от его влияния на работу прибора, оба световых потока (измерительный и сравнения) сделаны прерывистыми и имеют частоты прерывания 1780 Гц при скважности равной 2 (длительность светового импульса в 2 раза меньше периода их повторения, т.е. равна длительности паузы). Поскольку фотоэлемент один, то сравнение потоков осуществляется путем их поочередной коммутации – часть времени (1/297 с) фотоэлемент освещается измерительным потоком, а затем в течение того же времени - потоком сравнения. Поступающий на фотоэлемент поток сравнения может регулироваться по интенсивности. Первая регулировка, называемая установочной, осуществляется однократно при настройке прибора после его размещения на позиции и эпизодически после ремонтных работ. Для этого в оптическую схему прибора (см. рис.1) включены установочные клинья. При этой регулировке поток сравнения, поступающий на фотоэлемент, устанавливается равным максимально возможному значению интенсивности измерительного потока, которое наблюдается при отсутствии ослабления в атмосфере. Практически такую установку производят, дождавшись ситуации, при которой высока прозрачность воздуха и дальность видимости оказывается не менее 30 км. Второй вариант регулировки потока сравнения осуществляется оперативно в процессе работы прибора для того, чтобы сделать его интенсивность равной интенсивности ослабленного атмосферой измерительного потока. Для этого поток сравнения проходит через измерительную диафрагму, которая частично перекрывает его. Зная, насколько оказалось необходимо перекрыть поток сравнения, чтобы сравнять его интенсивность с интенсивностью измерительного потока, можно судить о метеорологической дальности видимости. Такой метод сравнения двух потоков исключает влияние возможной нестабильности параметров элементов прибора на точность измерения дальности Sм , в частности, нестабильности яркости свечения лампы накаливания, коэффициента усиления усилительного тракта, чувствительности фотоэлемента. Для реализации подобного принципа измерения Sм в приборе РДВ-1 имеется специальная система формирования двух поочередно 6 поступающих на фотоэлемент прерывистых световых потоков (измерительного и потока сравнения), схема которого представлена на рис 1. отражатель Защитное стекло объектив Датчикпотенциометр измерительная диафрагма МС ФЭ Редуктор НФ Пр1 Пр4 О7 ПЗ Реверс. двигатель КФ О6 О3 Демпфер. двигатель Диск-фотомодулятор Д1 Д2 Эл. двигатель 3 О5 О2 4 Усилитель опорного сигнала Генератор U~ Установочные клинья О1 О4 Л Пр2 Пр3 Усилитель сигнала 1 Детектор Усилитель мощности сигнала разбаланса Фильтр 2 5 6 вкл Генератор Г3-36 Uс.(1-2) выкл Тумблер выключения сигнала разбаланса Uупр.(5-6) Исследование усилителя сигнала Вход Y осц. С1-67 Переключатель режимов Рис. 1. Оптическая схема прибора, совмещенная с лицевой панелью лабораторной установки. 7 На рис. 2 показан диск-фотомодулятор. Он предназначен для прерывания световых пучков мелкими зубьями, а также для пропускания по очереди измерительного светового пучка и пучка сравнения. Рис. 2. Диск-фотомодулятор Оптическая схема содержит источник света Л, который является общим для двух световых потоков. Измерительный поток формируется, проходя через объектив О1, призму ПР2, объектив О2, диафрагму Д1, отверстия диска фотомодулятора, призму ПР1, объектив О3, защитное стекло прибора, стометровый слой атмосферы, отражается от специального отражателя, представляющего собой набор из девяти угловых отражающих устройств, возвращаясь, еще раз проходит стометровый слой атмосферы; через защитное стекло прибора поступает на параболический отражатель (приемное зеркало ПЗ) и, отражаясь от него, через фильтр КФ и молочное стекло МС поступает на фотоэлемент ФЭ. Световой поток сравнения формируется, проходя через объектив О4, призму ПР3, установочные клинья, объектив О5 , диафрагму Д2, отверстия диска фотомодулятора, объектив О6, призму ПР4, измерительную диафрагму ИД, объектив О7 , нейтральный фильтр НФ, светофильтр КФ, молочное стекло МС и попадает на фотоэлемент. Для начальной установочной регулировки светового потока сравнения 8 используются установочные клинья. Световые потоки (измерительный и сравнения) проходят через диаметрально противоположные точки диска фотомодулятора, вращаемого электродвигателем со скоростью 2965 об/мин. Если на выходе диафрагмы Д1 и Д2 световые потоки непрерывны, то после диска-фотомодулятора они становятся прерывистыми и появляющимися поочередно. При указанной скорости вращения диска частота прерывания каждого потока равна 1780 Гц, частота чередований измерительного и потока сравнения в 12 раз меньше – 148 Гц. Для того, чтобы можно было судить о том, какой световой поток в данный момент времени поступает на фотоэлемент – сравнения или измерительный, специальным генератором вырабатывается синусоидальное опорное напряжение U ОПОРН (рис. 3а), частота которого равна частоте коммутации световых потоков – 148 Гц. Генератор опорного напряжения (ГОН) – электромеханический. Его ротор – шестиполюсный постоянный магнит, который находится на одном валу с ротором электродвигателя и диском модулятора ДМ световых потоков (рис.1). При настройке РДВ–I фаза опорного напряжения устанавливается такой, что каждому световому потоку соответствует свой характер изменения опорного напряжения U ОПОРН , а именно, при прохождении светового потока сравнения генерируется положительная полуволна опорного напряжения, а при прохождении измерительного потока – отрицательная. Величина тока, протекающего через фотоэлемент, зависит от величины светового потока, падающего на него. На рис.3 б–г представлены временные зависимости тока через фотоэлемент I ФЭ для некоторых ситуаций, возникающих при работе РДВ – I. На рис.3б зависимость I фэ (t) при измерении, производимом в светлое время суток, в случае неравенства интенсивности измерительного потока и потока сравнения. Чем больше постоянный световой поток (чем светлее), тем значительнее величина тока I 0 , наблюдаемого в моменты отсутствия потока от лампы Л. На рис.3в представлена зависимость I ФЭ от времени в темное время суток. В обоих случаях световой поток сравнения превышает измерительный, на рис.3г изображен ток I ФЭ ( t ) в светлое время суток при равенстве измерительного потока и потока сравнения. Сигналы с выхода фотоэлемента, осуществляющего преобразование оптических сигналов в электрические, поступают на электронную часть прибора, блок – схема которой приведена на рис.4. Импульсы напряжения на фотоэлементе имеют очень малую амплитуду. Поэтому они поступают на схему, называемую усилителем сигнала разбаланса. Эта схема усиливает сигнал, поступающий от фотоэлемента, и формирует управляющий сигнал, отличающийся от 9 нуля, если световой поток сравнения не равен измерительному световому потоку. Функциональная схема усилителя сигнала разбаланса и исполнительных устройств представлена на рис.5. Рис.3. Эпюры напряжений в различных точках прибора РДВ-1 10 Исполнительный реверсивный двигатель Усилитель сигнала разбаланса От ФЭУ Узкополосный усилитель сигнала 1780 Гц Uвы х Детектор Uвых.де т. Фильтр несущей частоты Узкополосный усилитель сигнала управления Uопор н. Демпфирующий двигатель К стрелочному указателю Редуктор Uопор К потенциометру-датчику К измерительной диафрагме н. Рис.5 Блок-схема усилителя сигнала разбаланса РДВ-1 Узкополосный усилитель, на вход которого поступает напряжение с фотоэлемента, двухкаскадный, настроенный на частоту 1780 Гц. Если световой поток сравнения не равен измерительному световому потоку, то (рис.3б или 3в) на выходе узкополосного усилителя напряжение U УУ ВЫХ будет иметь форму, представленную на рис.3д. Постоянная составляющая через узкополосный усилитель не проходит и поэтому сигнал на выходе не будет зависеть от величины I 0 , протекающего через фотоэлемент в светлое время суток. Если световой поток сравнения равен измерительному, то на выходе узкополосного усилителя будет наблюдаться синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой. С выхода узкополосного усилителя сигнал U УУ ВЫХ поступает на детектор. При детектировании выделяется верхняя огибающая сигнала U УУ ВЫХ , т.е. сигнал на выходе детектора имеет форму, представленную ДЕТ на рис. 3е. Если J СР J ИЗМ , то U ВЫХ меняется по величине с периодом (1/148 с) (кривая 1, рис.3е). Если световые потоки ДЕТ измерительный и сравнения одинаковые, то U ВЫХ =U 0 =const (пунктирная прямая -, рис.3е). 11 Как известно, периодически меняющийся сигнал может быть представлен в виде суммы постоянной составляющей и синусоидальных составляющих, частоты которых в n раз отличаются от частоты изменения сигнала, где n =1,2…С выхода детектора сигнал поступает на фильтр, который задерживает несущую частоту 1780 Гц и пропускает первую гармонику огибающей, имеющую частоту 148 Гц. Первая гармоника проходит через фильтр, задерживаясь на четверть периода. Таким образом, синусоидальное напряжение, имеющее частоту 148 Гц, оказывается на 90 0 запаздывающим относительно Uопорн. а) Jопт б) Uразб. в) Jопт г) Uразб. д) Рис.6. Сдвиг фаз между опорным напряжением и сигналом разбаланса при различном соотношении зондирующего и опорного оптического сигнала. опорного напряжения (рис.3ж), если световой поток сравнения превышает измерительный световой поток, или на 90 0 опережающим 12 опорное при противоположном соотношении интенсивностей световых потоков. Эти различные соотношения между опорным напряжением (рис.6 а ) и сигналом разбаланса (рис 6в и 6д) показаны на рис.6. Чертежи (б-в) и (гд) показывают, что при обратном соотношении между опорным и зондирующим световыми потоками происходит инверсия сигнала разбаланса. Это синусоидальное напряжение, возникающее на выходе фильтра, называется управляющим сигналом или сигналом разбаланса. Амплитуда управляющего сигнала отлична от нуля, если поток сравнения не равен измерительному; и равна нулю в противном случае. На выходе фильтра сигнал разбаланса слаб, и он для усиления поступает на узкополосный усилитель, частота максимального усиления которого 148 Гц. Узкополосный усилитель сигнала управления доводит мощность сигнала до величины, достаточной для управления исполнительным реверсивным двигателем (ротор реверсивного двигателя может под воздействием входных сигналов вращаться в обоих направлениях). Исполнительный электродвигатель имеет две обмотки – управляющую, на которую поступает сигнал с усилителя сигнала управления, и обмотку возбуждения. На обмотку возбуждения постоянно поступает опорное напряжение. Поскольку генератор опорного напряжения имеет малую мощность, то сигнал, вырабатываемый им, поступает на усилитель мощности опорного напряжения и затем на обмотку возбуждения исполнительного электродвигателя. Направление вращения ротора исполнительного электродвигателя зависит от соотношения фаз между опорным напряжением и сигналом разбаланса. Эти сигналы могут иметь угол сдвига фаз 900, если световой поток сравнения больше измерительного (как это показано на рис.6 б,в), или –900 при противоположном соотношении интенсивностей световых потоков (рис 6 г,д). Ротор исполнительного двигателя непосредственно связан с редуктором и ротором демпфирующего двигателя. Последний предназначен для создания тормозящего момента, пропорционального скорости вращения ротора. Такое включение демпфирующего двигателя повышает устойчивость работы системы, предотвращая возможность ее перехода в автоколебательный режим. (Для автоколебательного режима характерно периодическое изменение направления вращения ротора исполнительного двигателя, происходящее с частотой, измеряемой десятыми долями или единицами Гц). 13 Ротор исполнительного двигателя приводит в движение: 1. Измерительную диафрагму, в результате чего меняется величина светового потока сравнения. 2.Стрелочный указатель, перемещающийся вдоль шкалы, проградуированной в единицах метеорологической дальности видимости (километрах) и в процентах ослабления светового потока, проходящего двухсотметровый слой атмосферы. 3. Ползунок потенциометра датчика, предназначенного для дистанционного измерения и регистрации метеорологической дальности видимости. Вращение ротора реверсивного электродвигателя происходит до тех пор, пока световой поток сравнения не станет равным измерительному потоку. При равенстве этих потоков управляющих напряжение станет равным нулю и двигатель остановится. СВЕДЕНИЯ О РЕГИСТРАТОРЕ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ РДВ-3 Регистратор дальности видимости РДВ-3 представляет собой более позднюю разработку и, соответственно, имеет ряд особенностей. Эти особенности не очень значительны и, в основном, касаются оптической схемы прибора. Поэтому рассмотрим оптическую схему РДВ-3, изображенную на рис. 7. Пучок света от лампы Л преобразуется объективом О1 в параллельный. Полупрозрачная пластина ПЛ делит пучок на два - зондирующий и опорный. Такая схема более устойчива к помехам, чем в РДВ-1, так как и опорный и зондирующий пучки являются частью одного пучка света, выходящего из лампы Л. Зондирующий пучок проходит через объектив О 2, который фокусирует его в нижней части диска-модулятора ДМ, показанного на рисунке в профиль. Диск-модулятор имеет форму, показанную на рис. 8. Он вращается мотором М. Зондирующий пучок проходит через нижнюю часть диска-модулятора, опорный пучок - через его верхнюю часть. Устройство диска-модулятора (рис.8), несколько отличается от изображенного на рис. 2 для РДВ-1. Это связано прежде всего с тем, что на периферии диска-модулятора РДВ-3 расположен генератор опорного напряжения – ГОН, представляющий собой импульсатор со срывом колебаний, в зазор которого периодически заходят выступающие лепестки диска-модулятора. В эти моменты импульсатор генерирует прямоугольные импульсы, которые затем преобразуются в синусоидальное опорное напряжение. Нетрудно понять, что эта схема имеет свои преимущества – фазу опорного напряжения можно менять, передвигая ГОН по окружности 14 вдоль диска- модулятора. Таким образом можно установить точный сдвиг фаз между опорным неапряжением и сигналом разбаланса - +900 или -900. После прохождения диска-модулятора зондирующий пучок проходит через объектив О3 и превращается в слаборасходящийся. Через защитное стекло ЗС он выходит в атмосферу и отражается от отражателя ОТР. Возвращаясь в фотометрический блок, ЗС ФЭ У МС КФ ДМ O5 O4 Д П М M ОТР УК ВЗ O3 O2 O1 Л ПЛ 100 м. Рис.7. Оптическая схема РДВ-3. зондирующий пучок фокусируется вогнутым зеркалом З на катод фотоумножителя ФЭУ. Дальнейшее преобразование электрического сигнала проходит так же, как в РДВ-1 Рис. 8 . Диск- фотомодулятор РДВ-3 15 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» Для усиления сигнала разбаланса используется многокаскадный электронный усилитель, принципиальная схема которого представлена на рис.9. Рассмотрим принцип действия усилителя и назначение его отдельных элементов. Для питания фотоэлемента (ФЭ) используется делитель напряжения, выполненный на элементах R1 и R2. Конденсатор C2 является емкостью фильтра, сглаживающего пульсации напряжения питания ФЭ при изменении протекающего через него тока. Нагрузочным сопротивлением в цепи ФЭ является резистор R3. При изменении освещенности ФЭ меняется ток, протекающий через R3, и меняется потенциал анода фотоэлемента. Через R3 изменяющееся напряжение поступает на первую сетку лампы Л входного усилительного каскада. Усиленное напряжение анодной цепи лампы через емкость C6 поступает на вход (на первую сетку лампы) следующего усилительного каскада, выполненного на лампе Л 2 . Этот каскад охвачен цепью положительной частотозависимой обратной связи. Усиленное напряжение из анодной цепи по цепи обратной связи, состоящей из C12, R13, C8, R11, R12, C7, R9, C9, C10 поступает на сетку (т.е. входную цепь лампы Л 2 ). Фазосдвигающая цепь из конденсаторов и резисторов обеспечивает на частоте 1780 Гц синфазное суммирование сигнала, поступающего через емкость C6 из входной цепи и сигнала обратной связи с входа усилителя. В результате на этой частоте наблюдается большее усиление, нежели на других частотах (схема этого каскада аналогична по своей работе схеме RCгенератора). Но в ней генерация не возникает, так как не выполняются условия баланса амплитуд – усилитель за счет настройки имеет коэффициент усиления несколько меньший, чем необходим для возникновения генерации. . 16 R8 R7 R5 R1 С7 * Г1 С6 C1 R3 C3 5 Л1 С8 R13* 7 3 R2 R5 4 3 C11 C2 R4 R15 7 2 R16 4 С14 С15 Д Др 1 1 Др2 R2 1 2 1 R30 R32 1 2 3 4 5 3 R25 R27 2 3 1 C19 * C25* R10 6 7 8 2 C18* 4 5 C22 R28 C26 C27 C20 Л3 6 R9* R14* R12* C5 C9* C10* Г6 2(9) 7 3(8) Г3 1 2 3(6) C23 5 6 R23 R22 R19 R31 C12 Л2 1 С4 * С13 * Г7 Л4 R20 R18 Г3 R17 Г2 C21 R24 C24 R26 (8) R29 7 Тр 1 2 5 3 4 4 5 3 2 (9) 1 (6) Г4 Л5 Г8 Ш1 (Ш 5) Ф Э Ш2 (Ш 4) контр. несущ. 3 6 1 4 2 5 7 3 6 1 4 2 5 7 -UСМ ~ 6,3 накал Рис. 9. Принципиальная схема усилителя сигнала разбаланса РДВ-1. UВЫХ UA 17 В результате сигнал несинусоидальный на входе, проходя через резонансный усилитель, становится синусоидальным на его выходе и имеющим форму, представленную на рис.3д. Через конденсатор C13 сигнал поступает на диодный детектор, выполненный на полупроводниковом диоде Д. После детектирования сигнал проходит через фильтр Др 1 , Др 2 , C18, C19, C26, C27, который настроен на пропускание огибающей входного сигнала, имеющей частоту 148 Гц. Если поток сравнения и измерительный поток не одинаковы, то огибающая сигнала меняется, т.е. в ней появляется гармоническая составляющая с частотой148 Гц, которая и проходит через фильтр, а затем через C20 и потенциометр R21 поступает на усилительный каскад, выполненный на левой половине лампы Л 3 . С анода Л 3 (левая половина) усиленный сигнал через разделительный конденсатор С 22 поступает на сетку правого триода Л 3 . На правой половине Л 3 собран фазоинвертирующий каскад. Поскольку R23 = R26, оба по 51 кОм, и через эти сопротивления протекает одинаковый ток, то изменения тока приводят к одинаковым, но противофазным изменениям напряжения. Эти противофазные синусоидальные напряжения через C23 и C24 поступают на вход выходного двухтактного каскада, выполненного на лампах Л 4 и Л 5 . Конденсатор C25 образует резонансный колебательный контур с выходным трансформатором и нагрузкой (электродвигателем ДИДЗТА, не показанным на схеме). Управляющая обмотка двигателя подключается к вторичной обмотке трансформатора ТР. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Лабораторный макет содержит: 1) фотометрический блок, у которого одна боковая крышка заменена выполненной из оргстекла панелью, позволяющей видеть внутреннее устройство блока и взаимное расположение его отдельных элементов. На панели изображена схема прибора и в соответствующих точках схемы установлены гнезда, соединенные с этими же точками реальной схемы. Справа установлен «Переключатель режимов», позволяющий осуществлять перекоммутацию выходных сигналов, поступающих на осциллограф С1-69 и входного сигнала от генератора Г3-104 без перестановки вилок измерительных приборов в гнездах лицевой панели. Фотометрический блок установлен на штативе с поворотной головкой. 18 2) Блок питания, обеспечивающий выпрямление и стабилизацию необходимых для работы фотометрического блока напряжений. 3) Измерительные приборы – осциллограф С1-69 и генератор звуковой частоты Г3-104. 4) Специальное устройство, имитирующее распространение светового потока в среде поглощения светового потока, что позволяет использовать его для проверки работоспособности, настройки и калибровки прибора. 5) Отражатель светового потока. Используется как наглядное пособие. При выполнении лабораторной работы не применяется. 6) Стабилизатор сетевого напряжения. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Перед началом работы получить у лаборанта комплект стекол с известными коэффициентами поглощения. Стекла имитируют поглощение светового потока, проходящего двухсотметровый слой атмосферы. 2. Учитывая, что коммутация цепей уже выполнена, следует ее проверить и убедиться в том, что: 2.1 «Вход У» первого канала осциллографа соединен с гнездами «Вход У» осциллографа» лицевой панели фотометрического блока. Гнезда находятся левее переключателя «Переключатель режимов». 2.2 «Вход У» второго канала осциллографа соединен с выходом усилителя мощности опорного напряжения. 2.3 На вход синхронизации осциллографа поступает сигнал с гнезда «вход синхрон.», находящегося в нижней части лицевой панели фотометрического блока (гнездо № 9). Система синхронизации осциллографа должна находиться в режиме «Внешняя синхронизация, 1:1». 2.4 Стабилизатор переменного напряжения и осциллограф включены в сеть. Сетевые выходы должны быть включены в сетевой распределительный щит, расположенный слева на стене. 2.5 Студенты группы «И» должны дополнительно убедиться в том, что включен в сеть звуковой генератор Г3-104 и его выход соединен с гнездами «Генератор Г-36» на лицевой панели, гнезда расположены левее переключателя «Переключатель режимов», установленного на панели фотометрического блока. Примечание: Несоответствие названий звуковых генераторов объясняется установкой в лабораторный стенд более совершенного прибора по сравнению с применяемым ранее. 19 3. Установить в положение «Вкл.» тумблер «Сеть» блока питания РДВ и осциллографа С1-93, вытянув на себя кнопку «Питание». Студентам группы «И» дополнительно включить генератор Г3-104. 4. Установить в прорезь приспособления для настройки одно из стекол. Убедиться, что происходит вращение ротора реверсивного двигателя и изменение показаний прибора. Если этого не происходит, то проверьте, включен ли тумблер включения сигнала разбаланса. 5. После того, как установятся новые показания прибора, отключить тумблером управляющую обмотку реверсивного двигателя от усилителя мощности сигнала разбаланса. Тумблер находится в нижней части лицевой панели. Затем изъять поглощающее световой поток стекло из прорези (приспособление для настройки). 6. Убедиться в том, что сигнал в этом случае приобретает форму, представленную на рис.3д. Для этого «Переключатель режимов» установить в положение U УУ ВЫХ (1-2), что обеспечит подключение усилителя сигнала (гнезда 1-2 на лицевой панели) к входу Y первого канала осциллографа. Срисовать с экрана двух - лучевого осциллографа форму (осциллограмму), наблюдаемых напряжений на выходе усилителя сигнала и усилителя мощности опорного напряжения. Снимая осциллограмму, стремитесь по возможности более точно воспроизводить изображения сигналов, не забывая записывать масштабы по оси времени и напряжения. 7. Переключить переключатель режимов в положение U УПР (5-6). При этом вход «У» первого канала осциллографа соединяется с выходом усилителя мощности сигнала разбаланса (гнезда 5-6 на лицевой панели). Убедиться в том, что сигнал разбаланса имеет форму, соответствующую изображенной на рис.3ж. Обратить внимание на наличие фазового сдвига между сигналом разбаланса и опорным напряжением. Срисовать с экрана двухлучевого осциллографа оба эти сигнала. 8. Уменьшить сигнал разбаланса примерно вдвое. Для этого не короткое время соединить выход усилителя мощности сигнала разбаланса а управляющей обмоткой реверсивного двигателя. Последнее осуществляется установкой тумблера в положение «Вкл.» (тумблер находиться в нижней части лицевой панели). Убедиться в том, что при этом начинает вращаться ротор реверсивного двигателя и уменьшается сигнал разбаланса. Когда сигнал разбаланса уменьшиться примерно в 2 раза (до половины начальной амплитуды) тумблер вновь отключить. 9. Убедиться, что вращение ротора реверсивного двигателя привело к изменению величины только потока сравнения. Для этого установить «Переключатель режимов» в положение U ВЫХ (1-2) и сопоставить ранее зарегистрированный сигнал с его новой формой. 20 Обратить внимание на неизменность амплитуды сигнала, обусловленного измерительным потоком. Еще раз срисовать сигналы с экрана осциллографа. Перевести тумблер, коммутирующий управляющую обмотку двигатель, в положение «Вкл» и убедиться в том, что двигатель остановится, когда поток сравнения станет равным измерительному потоку. Установить «Переключатель режимов» в положение U УПР (5-6). Убедиться, что после того, как поток сравнения сравнялся с измерительным, сигнал разбаланса стал равным нулю. 10. Вновь отключить управляющую обмотку (тумблер в положение «Выкл»). Установить поглощающее стекло в прорезь приспособления для настройки и повторить все измерения с регистрацией форм сигналов, начиная с п.6. 11. Объяснить полученные результаты, отключить приборы от сети. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» 12. Снять амплитудную характеристику усилителя сигнала. Для этого установить «Переключатель сигналов» в положение «Исследование усилителя узкополосного сигнала». При этом отключается источник светового потока: сигналы с выхода генератора поступают на вход усилителя, а с выхода усилителя на вход первого канала двух - лучевого осциллографа. Установить частоту сигнала, генерируемого звуковым генератором, примерно равной 1700-1800 Гц. Установить амплитуду сигнала генератора такай, чтобы не вызвать ограничение сигнала на выходе усилителя. Убедиться в отсутствии ограничения можно, увеличивая амплитуду входного напряжения. Если при этом наблюдается рост сигнала на выходе, то ограничения сигнала не происходит. Осуществить поиск частоты, на которой усиление максимально. Для этого плавно вращать ручку перестройки частоты генератора на вход усилителя, найти частоту, на которой уровень выходного сигнала максимален. Затем снять зависимость выходного напряжения усилителя от уровня входного сигнала U ВЫХ = f (U ВХ ). Построить график этой зависимости. 13. Снять частотную характеристику усилителя. Для этого на вход усилителя подать напряжение примерно равное 1/3 от минимальной амплитуды входного сигнала, вызывающего насыщение усилителя. Меняя частоту сигнала, поступающего от генератора в пределах от F min = F 0 / 10, до F max = 10 F 0 , снять зависимость U ВЫХ = f ( F ), где F 0 - частота максимального усиления. В процессе измерений контролировать постоянство амплитуды входного сигнала, обесточивая 21 его (в случае необходимости) регулировкой. Построить график зависимости U ВЫХ = f (F ). 14. Объяснить полученные результаты. Отключить приборы от сети. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ Отчет должен содержать: 1. Титульный лист с указанием автора отчета, наименованием лабораторной работы и даты ее выполнения. 2. Цель работы. 3. Упрощенную блок – схему прибора (рис 2) и краткое описание принципа действия прибора. 4. Осциллограммы напряжений, срисованные с экрана двух – лучевого осциллографа. Осциллограммы должны иметь проградуированные оси. По ним следует: 4.1 Определить амплитуду и период. Т ОП – на выходе усилителя мощности опорного сигнала. По известному периоду вычислить частоту опорного напряжения f ОП =1/Т ОП . 4.2 Определить амплитуду и период Т ПР напряжения на выходе усилителя сигнала при отсутствии поглощения светового потока в приспособлений для настройки (при неустановленных поглощающих стеклах). По известному периоду Т ПР вычислить частоту прерывания светового потока f ПР = 1/Т ПР . Аналогичные параметры определить для случая поглощения светового потока (при установленных стеклах). 4.3 Определить амплитуду и период Т РАЗБ – сигнала разбаланса, наблюдаемого на осциллографе при неравенстве потоков сравнения и измерительного. По известному периоду Т РАЗБ определить частоту сигнала разбаланса f РАЗБ = 1/Т РАЗБ и убедиться, что Т ОП =Т РАЗБ и f ОП = f РАЗБ . 4.4 Найти угол сдвига фаз между опорным напряжением и напряжением разбаланса. Угол сдвига фаз найти для двух случаев: а) измерительный поток больше потока сравнения; б) измерительный поток меньше потока сравнения. Для определения угла сдвига фаз следует по осциллограмме определить временной интервал, разделяющий два момента времени с одинаковыми фазами колебательных процессов, например, моменты переходов сигналов через нулевое значение. Если этот временной интервал равен Т, то сдвиг фаз определяется соотношением: 22 (рад)=2 (град)=360 0 (сдвиг фаз в радианах) (сдвиг фаз в градусах) где Т – период колебания. 4.5 Отчет студентов группы «И» дополнительно должен содержать таблицы измерений, полученные при исследовании амплитудной и частотной характеристик усилителя, а также графики, построенные по этим числовым данным. ЛИТЕРАТУРА 1. Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах. Под ред. Афиногенова Л.П. и Романова Е.Г. – Л.: Гидометеоиздат, 1981. – 285 с. 2. Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.; Гидрометеоиздат, 1978. – 392 с. 3. Григоров Н.О. Конспект лекций по дисциплине «Методы метеорологических измерений». 2004г. Электронная версия – www.nosrshu.narod.ru. 23 УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ Дивинский Леонид Исаевич Григоров Николай Олегович ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12 Исследование регистратора дальности видимости РДВ-1 Редактор И. Г. Максимова ЛР №020309 от 30.12.96 Подписано в печать ..............2004г. Формат 60×90 1/16 Бумага кн.-жур. Печ.л.1,4 Тираж 50 Зак..... Отпечатано .... РГГМУ, 195196, Малоохтинский пр.98.
