Принципы и методы измерения

В современных средствах измерения (приборах) видимости атмосферы производится непосредственное измерение коэффициента пропускания () в слое атмосферы, соответствующем измерительной базе (l) или показателю ослабления ().

Измерение коэффициента пропускания () производится при использовании базисного метода (метод фотометрирования). При этом применяются два варианта реализации базисного принципа измерения (трансмиссометры, фотометры):

— двухконечный, когда передатчик (излучатель световых сигналов) устанавливается на одном конце базы, а приемник — на другом (рис. 1.1.);

Рис. 1.1 Двухконечный базисный измеритель МОД (MOR)

Рис. 1.2 Одноконечный базисный измеритель МОД (MOR)

— одноконечный, когда передатчик и приемник находятся на одном конце базы, а отражатель светового потока, выходящего из передатчика, на другом конце базы (рис. 1.2.).

Для измерения МОД (MOR) применяются оба варианта. Имеются приборы для измерения МОД (MOR), использующие оба варианта, на пример фотометр ФИ-2.

Перевод коэффициента пропускания (т) в величину видимости в атмосфере, т. е. в метеорологическую оптическую дальность МОД (MOR) производится по формуле Кошмидера, вытекающей из закона Буге:

Где l — длина пути светового луча в слое атмосферы, — порог контрастной чувствительности глаза.

Порог контрастной чувствительности глаза () — наименьший яркостной контраст, который позволяет визуально опознать объект с приемлемой степенью четкости (безразмерная величина) .

Порог контрастной чувствительности глаза () при наблюдениях в дневное время лежит в пределах 0,02−0,05; при этом его наиболее вероятное значение при остроте зрения наблюдателя, равной единице (1,0), находится в пределах 0,02−0,03. ИКАО в 1973 г. рекомендовала всем членам Международной организации гражданской авиации для обеспечения единства измерений МОД (MOR) использовать при метеорологическом обеспечении гражданской авиации= 0,05.

Выбор завышенного значения нормированного порога контрастной чувствительности глаза обусловлен требованиями обеспечения сопоставимости визуальных наблюдений за видимостью в атмосфере (см. определение МДВ) и метеорологической оптической дальности МОД (MOR). Использование завышенного порога контрастной чувствительности глаза () приводит к соответствующему занижению рассчитанных значений МОД (MOR) и, следовательно, оценки дальности видимости на ВПП (RVR), передаваемых в информации, предназначенной для обеспечения взлета и посадки воздушных судов. При пороге контрастной чувствительности глаза =0,05 формула (1) принимает вид.

Формула (1.2) должна быть принята за основу при расчетах таблиц перевода коэффициента пропускания в МОД (MOR).

Зависимость между МОД (MOR) и измеренным коэффициентом пропускания логарифмическая; следовательно, и точность вычисленных значений МОД (MOR) не линейная (рис. 1.3.).

Из рис. 1.3. видно, что для достижения требуемой точности измерения МОД (MOR) и диапазона измерения МОД (MOR), соответствующего минимуму аэродрома (ВПП), следует выбирать оптимальную длину измерительной базы и прибор, обеспечивающий достаточно точное измерение коэффициента пропускания. Рекомендуется следующая зависимость диапазона измерения МОД (MOR) от длины измерительной базы: нижний предел диапазона измерения равен 2/3 длины пути луча (от передатчика до приемника), верхний предел диапазона измерения равен 40 длинам пути луча (от передатчика до приемника).

Например, при длине измерительной базы l = 100 м в «двухконечном приборе» диапазон измерения МОД (MOR) составит 75 — 4000 м, в «одноконечном» — 150 — 8000 м.

Погрешность измерения МОД (MOR) зависит от точности измерения коэффициента пропускания () и длины измерительной базы. При точности измерения коэффициента пропускания не хуже ± 1% и длине измерительной базы 75 м предел допускаемой погрешности измерения МОД (МOR) составляет (табл. 1.1.).

дальность видимость фотометр гидрометеорологический Таблица 1.1 Технические характеристики ФИ-2.

При точности измерения коэффициента пропускания не хуже ± 3% и длине измерительной базы 200 м предел допускаемой погрешности измерения МОД (MOR) составляет (табл. 1.2.).

Таблица 1.2 Погрешности ФИ-2.

Рис. 1.3 Зависимость диапазона измерения МОД (МО R) от длины измерительной базы (I) при точности измерения коэффициента пропускания не осу же ±1% (сплошная I = 20 м, прерывистая I = 200 м)

Нефелометрические методы измерения МОД (MOR) следующие:

Принцип измерения МОД (MOR) нефелометрами, измеряющими показатель ослабления, вытекает из закона Буге-Ламберта, выражаемого соотношением =ехр (), где ткоэффициент пропускания на базе (l), — показатель ослабления (одинаковый во всех точках зондируемой лучом трассы). МОД (MOR) определяется для однородных условий как 0,05=ехр (МОД), или MOД (MOR)=.

Для коэффициента контрастной чувствительности глаза 0,05 MOД (MOR)=.

Таким образом, нефелометрический метод измерения МОД (MOR) основан на оценке показателя ослабления, характеризующего полное (интегральное) рассеяние во всех направлениях по отношению к зондирующему лучу света. В нефелометрах измеряется лишь некоторая величина рассеяния в одном направлении () под углом, близким к 45° (в прямом направлении).

Для углов, близких к 45°, установлена связь 1,45. Эта связь может максимально отклоняться от значения 1,45 на ±13%. В большинстве случаев это отклонение значительно меньше.

Для измерения (определения) показателя ослаблениспользуются следующие типы приборов:

• — приборы бокового рассеяния,
• — приборы прямого рассеяния,
• — приборы обратного рассеяния.

Прибор бокового рассеяния зондирует объем воздуха, освещенный источником света, рассеянный от объема или внутри луча (рис. 1.4.).

Рис. 1.4 Интегрирующий нефелометр (прибор бокового рассеяния)

Прибор прямого рассеяния представляет собой излучатель света (передатчик) и приемник, направленный оптической осью обычно под углом 30−40⁰ друг к другу (рис. 1.5.).

Рис. 1.5 Принцип прямого рассеяния

Прибор обратного рассеяния аналогичен по принципу действия прибору прямого рассеяния. Отличие заключается в том, что приемник зондирует свет, рассеянный в обратную сторону (рис. 1.6.).

Рис. 1.6 Принцип обратного рассеяния

Экспериментально (методом большого числа сравнительных измерений МОД (MOR) нефелометром и трансмиссометром) установлена связь между показателем ослабленияи измеряемой величиной (относительная, безразмерная величина), значительно менее ±13%, что подтверждается сравнительными измерениями МОД (MOR), проведенными во Франции по заданию ВМО, где сравнивались показания 12 измерителей видимости, из которых семь приборов были нефелометрами [ 1, c. 21 ].