ИМПУЛЬСНЫЙ ФОТОМЕТР Российский патент 2002 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области оптико-физических измерений в открытой атмосфере, более конкретно к фотоприемным устройствам, предназначенным для преобразования направленного модулированного излучения, преимущественно в метеорологических приборах, используемых для измерения светопропускания атмосферы на аэродромах (трансмиссометрах).

При измерении прозрачности атмосферы имеет значение компенсация погрешности измерений, связанная с запылением защитного стекла.

Известны фотометры, в которых измеряются направленный и рассеянный световые потоки, прошедшие через материал, а прозрачность материала определяется как соотношение измеренных световых потоков. Например, известен фотометр для измерения прозрачности листовых материалов по [1], содержащий источник света и оптическую систему формирования светового потока. Фотометр снабжен приемным устройством, состоящим из последовательно установленных собирательной линзы, зеркального цилиндра, фотопреобразователя с центральным отверстием и обычного фотопреобразователя, причем фотопреобразователи установлены таким образом, что направленный поток полностью проходит в отверстие первого фотопреобразователя и падает на второй, а рассеянный поток с помощью зеркального цилиндра почти полностью улавливается первым фотопреобразователем.

Недостатком известного описанного аналога является возможность улавливания рассеянного светового потока только начиная с какой-то предельной величины (достаточно большой), так как он рассчитан на измерение прозрачности плотных листовых материалов, которые рассеивают свет в больней степени, чем его пропускают. Для компенсации погрешности запыленности защитного стекла фотометра при измерении коэффициента прозрачности атмосферы такой фотометр использовать невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является импульсный фотометр по [2], содержащий импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, оптическим аттенюатором, приемным зеркалом и светоделительной пластиной, разделяющим излучение на две части. Одна часть излучения после диффузного рассеивателя направляется на первый фотопреобразователь. Выход первого фотопреобразователя соединен с входом блока обработки измерительной информации и входом формирователя импульса сброса. С помощью первого фотопреобразователя измеряется коэффициент светопропускания. Другая часть излучения попадает после светоделительной пластины на второй фотопреобразователь, установленный перед светоделительной пластиной в отраженной от нее фокальной плоскости приемного зеркала. С помощью второго фотопреобразователя измеряется яркость фона. Выход второго фотопреобразователя последовательно соединен с управляемым усилителем, ключом, согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем и цифровым индикатором. Выход согласующего усилителя подключен ко входам двух компараторов, выходы которых связаны со входом устройства управления усилением, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя и входу дешифратора, выход которого связан с цифровым индикатором. Вход ключа соединен с выходом формирователя импульса сброса.

Недостатком вышеописанного прототипа является наличие погрешности при измерении как коэффициента пропускания атмосферы так и яркости фона при запылении защитного стекла.

Задачей изобретения является повышение точности измерения коэффициента пропускания атмосферы путем компенсации погрешности, вызываемой запылением защитного стекла импульсного фотометра.

Поставленная задача решается в предлагаемом импульсном фотометре, содержащем импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, оптическим аттенюатором, диффузным рассеивателем, приемным зеркалом, светоделительной пластиной, первым фотопреобразователем и вторым фотопреобразователем, который установлен между приемным зеркалом и светоделительной пластиной, в отраженной фокальной плоскости приемного зеркала. Выход первого фотопреобразователя соединен с входом блока обработки измерительной информации и входом формирователя импульса строба. Выход второго фотопреобразователя последовательно соединен с управляемым усилителем, ключом, первым согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем и цифровым индикатором. Выход первого согласующего усилителя подключен ко входам двух компараторов, выходы которых связаны со входом устройства управления усилителем, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя и входу дешифратора, выход которого связан с цифровым индикатором. А вход ключа связан с выходом формирователя импульса строба.

Предлагаемый импульсный фотометр отличается от прототипа тем, что в него дополнительно введены два разделительных конденсатора, второй согласующий усилитель, последовательно соединенные сравнивающее устройство, пиковый детектор, масштабный усилитель, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства. Первый фотопреобразователь снабжен полевой диафрагмой. При этом выход первого фотопреобразователя, связан через первый разделительный конденсатор и второй согласующий усилитель с первым входом сравнивающего устройства, выход второго фотопреобразователя подключен через второй разделительный конденсатор ко второму входу сравнивающего устройства, второй вход суммирующего устройства соединен с выходом блока обработки измерительной информации, а выход суммирующего устройства является выходом фотометра.

Сущность изобретения заключается в компенсации погрешности измерений импульсного фотометра, вызванной запылением защитного стекла. Эта компенсация осуществляется следующим образом. В случае запыленности защитного стекла фотометра диаметр светового пучка за счет рассеивания увеличивается. Полевая диафрагма первого фотопреобразователя не пропускает часть светового потока, диффузно рассеянного на защитном стекле, а на второй фотопреобразователь попадает весь световой поток, отраженный светоделительной пластиной. Второй согласующий усилитель компенсирует влияние светоделительной пластины и на втором входе сравнивающего устройства сигнал становится больше чем на его первом входе. На выходе сравнивающего устройства появляется импульсный сигнал, равный разнице между двумя сигналами, приходящими на два входа сравнивающего устройства, который поступает на пиковый детектор, где преобразуется в постоянный сигнал, далее он попадает в масштабный усилитель. С помощью масштабного усилителя происходит усиление выявленного электрического сигнала, на величину, равную соотношению рассеянного и прошедшего через защитное стекло света, которое при небольшом рассеянии постоянно и равно коэффициенту масштабного усилителя R. Эти потери равны падению коэффициента светового пропускания на защитном стекле. Далее сигнал поступает на суммирующее устройство, где суммируется с сигналом, выходящим из блока обработки измерительной информации. В суммирующем устройстве происходит компенсация уменьшения выходного сигнала, вызванного дисперсией и поглощением светового потока на частицах пыли, осаждаемой на защитном стекле фотометра. Сигнал на выходе масштабного усилителя может быть использован также для компенсации потерь при измерении яркости фона.

Сущность изобретения пояснена чертежом, на котором изображена функциональная схема предлагаемого импульсного фотометра. На чертеже введены следующие обозначения:
1 - импульсный источник света
2 - отражатель
3 - измеряемая среда
4 - защитное стекло
5 - объектив
6 - оптический аттенюатор
7 - диффузный рассеиватель
8 - приемное зеркало
9 - светоделительная пластина
10 - первый фотопреобразователь
11 - второй фотопреобразователь
12 - полевая диафрагма
13 - блок обработки измерительной информации
14 - формирователь импульса строба
15 - управляемый усилитель
16 - ключ
17 - первый согласующий усилитель
18 - аналого-цифровой преобразователь
19 - цифровой индикатор
20-21 - компараторы
22 - устройство управления усилителем
23 - дешифратор
24 - первый разделительный конденсатор
25 - второй согласующий усилитель
26 - сравнивавшее устройство
27 - второй разделительный конденсатор
28 - пиковый детектор
29 - масштабный усилитель
30 - суммирующее устройство
Импульсный фотометр содержит импульсный источник света 1, отражатель 2, оптически связанный через измеряемую среду 3 с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом 4, объективом 5, оптическим аттенюатором 6, диффузным рассеивателем 7, приемным зеркалом 8, светоделительной пластиной 9, первым фотопреобразователем 10 и вторым фотопреобразователем 11, который установлен между приемным зеркалом 8 и светоделительной пластиной 9, в отраженной фокальной плоскости приемного зеркала 8. Первый фотопреобразователь 10 снабжен полевой диафрагмой 12. Выход первого фотопреобразователя 10 соединен с входом блока обработки измерительной информации 13 и входом формирователя импульса строба 14. Выход второго фотопреобразователя 11 последовательно соединен с управляемым усилителем 15, ключом 16, первым согласующим усилителем 17, аналого-цифровым преобразователем 18 и цифровым индикатором 19. Выход согласующего усилителя 17 подключен ко входам двух компараторов 20 и 21, выходы которых связаны со входом устройства управления усилителем 22, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя 15 и входу дешифратора 23, выход которого связан с цифровым индикатором 19. А вход клоча 16 связан с выходом формирователя импульса строба 13. Выход первого фотопреобразователя 10 связан через первый разделительный конденсатор 24 и второй согласующий усилитель 25 с первым входом сравнивающего устройства 26, выход второго фотопреобразователя 14 подключен через второй разделительный конденсатор 27 ко второму входу сравнивающего устройства 26, выход которого последовательно соединен с пиковым детектором 28 и масштабным усилителем 29, выход которого подключен к первому входу суммирующего устройства 30, второй вход которого соединен с выходом блока обработки измерительной информации 12, а выход суммирующего устройства 30 является выходом фотометра.

Устройство работает следующим образом. Световой пучок от импульсного источника света 1, проходя через объектив 5, формируется в узкий направленный пучок света, который проходит через защитное стекло 4, измеряемую среду с расстоянием 100 м до отражателя 2, отражается от него, снова проходит измеряемую среду 3, защитное стекло 4 и попадает на приемное зеркало 8, которое фокусирует свет на диффузный рассеиватель 7 и далее импульсы света попадают на первый фотопреобразователь 10, снабженный полевой диафрагмой 12. Площадь полевой диафрагмы 11 первого фотопреобразователя 10 достаточно мала, чтобы не воспринимать фоновое излучение, получаемое в частности диффузией света на пылевых частицах при загрязнении стекла. В первом фотопреобразователе оптический сигнал преобразуется в электрические импульсы, которые поступают на блок управления и обработки 13, где они преобразуются в постоянный ток, который пропорционален коэффициенту светопропускания среды (Т). Варианты блока обработки измерительной информации описаны в [2]. Через светоделительную пластину 9 часть светового потока (примерно 30%, остальные 70% поступают в основной измерительный канал) фокусируется на второй фотопреобразователь 11. Второй фотопреобразователь 11 регистрирует яркость фона, на котором проецируется отражатель 2, в этот световой поток входит диффузно рассеянная на пылевых частицах защитного стекла часть светового потока. На аэродроме отражатель 2 устанавливается на высоте 5 метров над поверхностью земли, а блок приемоизлучателя на высоте 2 метра. Поэтому отражатель 2 проецируется на фоне неба у горизонта, что удовлетворяет требованиям методики измерения яркости фона на аэродроме. Постоянный электрический сигнал вместе с импульсным поступает на регулируемый дискретно управляемый усилитель 13, а далее через нормально открытый ключ 16 на первый согласующий усилитель 17. С целью уменьшения погрешности измерения фоновой яркости за счет импульсного оптического сигнала импульсом строба, поступающим от формирователя импульса строба 14, который запускается импульсами с выхода первого фотопреобразователя 10. Таким образом, постоянный электрический сигнал, соответствующий уровню яркости фона, поступит на первый согласующий усилитель 17, а с него на аналого-цифровой преобразователь 18 и далее на цифровой индикатор 19, где появляются показания уровня яркости фона.

Компараторы 20-21 минимального и максимального сигнала служат для определения выхода уровня сигнала фона за пределы установленные на управляемом усилителе 15 диапазона измерения яркости фона. При уменьшении или увеличении сигнала фона, переходящего за границы установленного диапазона, срабатывает компаратор минимального или максимального сигнала соответственно. При этом на устройство управления усилителем 22 поступает сигнал на увеличение или уменьшение чувствительности управляемого усилителя 15. Выходным сигналом устройства управления 20 производится переключение диапазонов управляемого усилителя 15. В результате переключения диапазона чувствительности управляемого усилителя 15, сигнал подаваемый на входы компараторов 20-21 окажется в пределах измеряемого диапазона и сигнал с входов устройства управления усилителем 22 будет снят. Таким образом осуществляется автоматический выбор диапазона измерения яркости фона. Сигнал с выхода устройства управления усилителем 22, содержащий информацию об установленном диапазоне измерения яркости фона, подается также на вход дешифратора 23. С выхода дешифратора сигнал поступает на табло цифровой индикации, где высвечивается номер установленного диапазона измерения яркости фона.

Компенсация погрешности измерения коэффициента светового пропускания атмосферы, связанная с запыленностью защитного стекла фотометра происходит следующим образом.

В случае отсутствия запыленности защитного стекла световой поток фокусируются в пучок света малого диаметра, направленный как на первый фотопреобразователь 10, снабженный полевой диафрагмой 12, так и на второй фотопреобразователь 11, улавливающий весь световой поток, отраженный светоделительной пластиной 9. Импульсный электрический сигнал с первого фотопреобразователя 10, поступающий через первый разделительный конденсатор 24 на первый вход сравнивающего устройства 26 равен импульсному сигналу, приходящему со второго фотопреобразователя 11 через второй разделительный конденсатор и второй согласующий усилитель, на второй вход сравнивающего устройства 26. При этом на выходе сравнивающего устройства 26 сигнал равен 0. Второй согласующий усилитель компенсирует влияние светоделительной пластины, которая направляет 70% излучения в основной канал измерения (т.е. на первый фотопреобразователь 10), а 30% - в канал измерения яркости фона (т.е. на второй фотопреобразователь 11).

В случае запыленности защитного стекла 4 фотометра диаметр светового пучка увеличивается. Полевая диафрагма 12 первого фотопреобразователя 10 не пропускает часть светового потока, диффузно рассеянного на защитном стекле, а на второй фотопреобразователь 11 попадает весь световой поток, отраженный светоделительной пластиной 9. Второй согласующий усилитель 25 компенсирует влияние светоделительной пластины 9 и на втором входе сравнивающего устройства 26 сигнал становится больше чем на его первом входе. На выходе сравнивающего устройства 26 появляется импульсный сигнал, равный разнице между двумя сигналами, приходящими на два входа сравнивающего устройства, который поступает на пиковый детектор 28, где преобразуется в постоянный сигнал, и далее поступает в масштабный усилитель 29. Второй фотопреобразователь 11 воспринимает весь световой поток, прошедший через защитное стекло, а частицы пыли, осажденные на защитном стекле рассеивают световой поток в телесном угле, равном 2π стерадиан (полная сфера). Соотношение рассеянного и прошедшего через защитное стекло света при небольшом рассеянии постоянно и равно коэффициенту масштабного усилителя R, после сигнал поступает в суммирующее устройство 30, где суммируется с сигналом, выходящим из блока обработки измерительной информации 13. В суммирующем устройстве 30 происходит компенсация уменьшения выходного сигнала, вызванного дисперсией и поглощением светового потока на частицах пыли, осаждаемой на защитном стекле 4 фотометра.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 410261, опуб. 05.01.74. БИ N1.

2. Патент Российской Федерации N 2063002, опуб. 27.06.96, БИ N18 (прототип).

Использование: оптико-физические измерения в открытой атмосфере, более конкретно к фотоприемным устройствам, предназначенным для преобразования направленного модулированного излучения, преимущественно в метеорологических приборах, используемых для измерения светопропускания атмосферы на аэродромах (трансмиссометрах). Сущность изобретения: импульсный фотометр содержит импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, оптическим аттенюатором, приемным зеркалом и светоделительной пластиной, разделяющей излучение на две части. Одна часть излучения после диффузного рассеивателя направляется на первый фотопреобразователь для измерения коэффициента прозрачности атмосферы. Другая часть излучения попадает после светоделительной пластины на второй фотопреобразователь, с помощью которого измеряется яркость фона. В устройстве также осуществляется компенсация погрешности измерений импульсного фотометра, вызванная запылением защитного стекла фотометра. Техническим результатом является повышение точности измерения коэффициента пропускания атмосферы. 1 ил.

Импульсный фотометр, содержащий импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, оптическим аттенюатором, диффузным рассеивателем, приемным зеркалом, светоделительной пластиной, первым фотопреобразователем и вторым фотопреобразователем, который установлен между приемным зеркалом и светоделительной пластиной, в отраженной фокальной плоскости приемного зеркала, выход первого фотопреобразователя соединен с входом блока обработки измерительной информации и входом формирователя импульса строба, выход второго фотопреобразователя последовательно соединен с управляемым усилителем, ключом, первым согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем и цифровым индикатором, выход первого согласующего усилителя подключен ко входам двух компараторов, выходы которых связаны со входом устройства управления усилителем, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя и входу дешифратора, выход которого связан с цифровым индикатором, а вход ключа связан с выходом формирователя импульса строба, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два разделительных конденсатора, второй согласующий усилитель, последовательно соединенные сравнивающее устройство, пиковый детектор, масштабный усилитель, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, а первый фотопреобразователь снабжен полевой диафрагмой, при этом выход первого фотопреобразователя связан через первый разделительный конденсатор и второй согласующий усилитель с первым входом сравнивающего устройства, выход второго фотопреобразователя подключен через второй разделительный конденсатор ко второму входу сравнивающего устройства, второй вход суммирующего устройства соединен с выходом блока обработки измерительной информации, а выход суммирующего устройства является выходом фотометра.