Радиозонд системы профессора Молчанова
Радио, 1953, №2
Двадцать три года тому назад, 30 января 1930 г., впервые в мире в г. Павловске под Ленинградом поднялся в воздух радиозонд, изобретённый советским метеорологом проф. П. А. Молчановым.
Радиозонд - наиболее простой и удобный прибор для получения данных о состоянии атмосферы на различных высотах. Он представляет собой небольшой наполненный водородом воздушный шар с подъёмной силой около 2 кг. К нему подвешивается гондола, в которой размещаются одноламповый радиопередатчик, измерители (датчики) температуры, давления и влажности воздуха, а также коммутаторы.
Передающей антенной служит провод, укреплённый вдоль стропы шара, а противовесом - свободно свисающий провод.
В полете измерители с помощью коммутаторов управляют работой передатчика.
Рис. 1. Блок-схема радиозонда проф. П. Л. Молчанова.
При этом его антенна излучает радиоимпульсы различной продолжительности, с различными интервалами между ними. Ось коммутаторов в полёте приводится во вращение с помощью ветрянки.
В аэрологической лаборатории производится приём сигналов радиозонда. Затем по их характеру определяют температуру, давление и влажность тех слоёв атмосферы, через которые проходит радиозонд.
С помощью радиозонда можно с достаточно высокой точностью определять температуру в пределах от +40° до -60° С, давление от 30 до 700 мм ртутного столба и влажность до 100%. Применение его облегчает задачу предсказания погоды, что имеет важнейшее значение для нашего народного хозяйства.
Блок-схема радиозонда изображена на рис. 1, а его принципиальная схема - на рис. 2. Генератор колебаний высокой частоты Г возбуждается только в том случае, если цепь анодной батареи замыкается через контакты одного из датчиков давления (Дд), влажности (Дв) или температуры (Дт) и контакты коммутаторов К1 и К2.
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ О ТЕМПЕРАТУРЕ
Чувствительным элементом датчика температуры является пластина Т (рис. 2), состоящая из двух металлических полосок с различными температурными коэффициентами. При изменении температуры пластина изгибается, заставляя перемещаться связанный с ней шарнирной передачей указатель УТ по металлическим зубцам гребёнок Г1, Г2, Г3, Г4, расположенным так, что указатель последовательно переходит с зубца одной гребёнки на зубец другой (рис. 3). Гребёнки изолированы друг от друга и от корпуса датчика. Каждая из них соединена с одной из пластин ПТ1, ПТ2, ПТ3, ПТ4 коммутатора К1 (рис. 2).
Против каждой пластины на оси коммутатора находятся контактные звёздочки З1, З2, З3 и З4, число лучей каждой звёздочки равно номеру расположенной рядом с ней пластины. При вращении коммутатора звёздочки касаются пластин, соединяя минус анодной батареи Ба через зубцы гребёнок Г1 и Г2, Г3 или Г4, стрелку указателя УТ, пластину датчика Т и корпус прибора с катодом лампы Л генератора ВЧ. За один оборот коммутатора звёздочка З1 коснётся пластины ПТ1 один раз, звёздочка З2 - пластины ПТ2 два раза, З3 - пластины ПТ3 три раза и т. д.
Радиопередатчик излучает импульсы только в моменты соприкосновения какой-либо звёздочки коммутатора с пластиной, соединённой с соответствующей гребёнкой, на зубце которой стоит указатель УТ. Поэтому, если указатель УТ прикасается, например, к зубцу гребёнки Л, цепь питания генератора радиопередатчика замыкается звёздочкой З1 один раз за время одного оборота оси коммутатора, и за это время излучается один импульс; если же указатель находится на зубце гребёнки Г2, за время одного оборота оси коммутатора излучаются два импульса и т. д.
Рис. 2. Принципиальная схема радиозонда системы проф. П. А. Молчанова.
При изменении температуры перемещение указателя УТ с зубца одной гребёнки на зубец другой вызывает изменение периодичности посылок сигналов радиопередатчиком. Непрерывно наблюдая за сигналами, по количеству импульсов за один оборот коммутатора можно установить момент перехода указателя УТ с зубца на зубец. Чтобы знать, на каком зубце гребёнок находится указатель, нужно заметить его положение при выпуске радиозонда. Так как каждому положению указателя соответствует определённая температура, то, наблюдая за изменением периодичности сигналов, можно определить температуру воздуха.
Рис. 3. Расположение зубцов на гребёнках датчика температуры (замещённые зубцы показаны пунктиром).
Для того чтобы температуру можно было определять и в случае некоторого перерыва в приёме сигналов радиозонда, на оси коммутатора имеется контрольная звёздочка Зк с семью лучами, занимающими сектор 288°, и замыкающаяся с ними контактная пластина ПТк. Последняя соединена с контрольной гребёнкой Гк датчика температуры. Зубцы гребёнок датчика температуры группируются в 19 секций (рис. 3), в каждую из которых входят четыре зубца, расположенных на различных гребёнках, причём первый справа зубец контрольной гребёнки замещает в третьей секции первый (правый) зубец четвёртой гребёнки, а следующие зубцы контрольной гребёнки соответственно замещают: второй (справа) зубец пятой секции, третий зубец седьмой секции и т. д. Начиная с 12-й секции порядок замещения повторяется. Такая комбинация зубцов позволяет оператору, принимающему сигналы радиозонда, определять номер гребёнки и зубца, на котором находится указатель УТ. Пусть, например, после некоторого перерыва в приёме сигналов оператор услышал сначала одну точку, после неё семь точек и затем ещё три точки. Ему известно, что одиночный короткий сигнал (точка) за один оборот оси коммутатора излучается передатчиком радиозонда, когда указатель УТ находится на одном из зубцов гребёнки Л и звёздочка З1 замыкает цепь пластины ПТ1. Если же цепь замкнута через пластину ПТ2 и указатель УТ находится на одном из зубцов гребёнки Г2, то за время одного оборота оси коммутатора будет принято два коротких сигнала. Соответственно при замыкании цепей через пластины ПТ3, ПТ4, ПТк и расположении указателя УТ на зубцах гребёнок Г3, Г4 и Гк оператор услышит сигналы, состоящие из трёх, четырёх и семи точек.
Следовательно, приняв последовательно одну, семь и три точки, оператор может установить, что сначала указатель УТ был расположен на зубце гребёнки Г1, затем - гребёнки Гк и, наконец, на зубце гребёнки Г3. Такая последовательность групп сигналов может иметь место только при условии, что вовремя подъёма радиозонда вследствие изменения температуры указатель УТ перешёл с секции 2 на секцию 3 или же с секции 11 на секцию 12 (рис.3). Однако неопределённость в определении температуры исключается, поскольку чувствительность датчика такова, что разность температур, передаваемых через зубцы третьей и двенадцатой секций, составляет около 40°.
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ О ДАВЛЕНИИ
Сигналы, характеризующие величину атмосферного давления, передаются радиозондом проф. Молчанова аналогично. Приёмником давления является барометрическая трубка Д, связанная шарнирно с указателем УД. При изменении давления эта трубка изгибается и указатель УД перемещается по гребёнке Гд, состоящей из металлических зубцов различной ширины: за двумя узкими следует один широкий. Эта гребёнка соединена с пластиной Пд коммутатора К1. Расположенная против неё на оси коммутатора звёздочка имеет один зубец в виде сектора круга шириной около 72°.
Все «температурные» звёздочки расположены так, что их последние лучи (по ходу коммутатора) расположены на одной линии с лучом звёздочки Зк (рис. 4). С этой же линией совпадает и начало сектора звёздочки давлений Зд. Поэтому, когда указатель УТ стоит на зубце, цепь питания передатчика замыкается как через звёздочки 31, З2, З3, З4, Зк, так и через звёздочку Зд. Вследствие этого последняя точка группы сигналов превращается в тире.
Если, например, указатель УТ стоит на зубце гребёнки Л, то вместо одной точки будет передано одно тире, если на зубце гребёнки Г3, то вместо трёх точек - две точки и одно тире. На рис. 5, а, показаны сигналы температуры при положении указателя УД между зубцами гребёнки Гд, а на рис. 5,б - на зубцах.
Рис. 4. Взаимное расположение лучей звёздочек коммутатора передачи данных о температуре и давлении.
Отмечая появление и исчезновение тире в сигналах давления и зная начальное давление, можно определить момент перехода указателя УД с изолятора на зубец и, следовательно, значение давления, соответствующее этому моменту.
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ О ВЛАЖНОСТИ
Измерителем влажности в радиозонде проф. Молчанова служит пучок обезжиренных человеческих волос ПВ, связанный со стрелкой указателя влажности УВ (рис. 2). При изменении влажности длина этого пучка также изменяется, вследствие чего указатель УВ перемещается по гребёнке Гв, содержащей десять зубцов, изолированных друг от друга и от корпуса. Каждый зубец соединён с одним из контактов П1, П2...П10 13-контактного коммутатора влажности К2. Контакты Пк1 и Пк2 этого коммутатора соединены с корпусом прибора и являются контрольными, а контакт Пр соединён с изолированным от других зубцов гребёнки Гд передачи давления. Все контакты коммутатора влажности имеют одинаковый угловой размер (на рис. 2 коммутатор К2 изображён условно. В действительности контакты П1...П10, Пр, Пк1 и Пк2 размещены на контактном кольце равномерно по окружности.). Зазор между контактом Пк2 и контактом П1, соединённым с первым зубцом гребёнки Гв, равен ширине каждого из этих контактов.
Рис. 5. Сигналы, излучаемые передатчиком радиозонда при различных положениях указателей датчиков давления и влажности: а - указатель УТ датчика температуры находится на зубцах температурной гребёнки, а указатель УД датчика давления - между зубцами (сигналы влажности не передаются, так как щётка Щ коммутатора К2 находится между его контактами); б - то же, но указатель УД находится на зубце; в - примеры полных сигналов радиозонда, содержащих данные о температуре, давлении и влажности. На рис. в масштаб времени взят другой, чем на рис. а и б.
По контактам коммутатора К2 передачи влажности скользит щётка Щ, которая вращается от ветрянки через червячную передачу, замедляющую движение в 20 раз. Когда щётка касается контакта Пк1, Пк2 или какого-либо контакта, соединённого с зубцами гребёнки влажности Гв, цепь анодной батареи замыкается помимо коммутатора К1 и излучается «импульс влажности». За время одного полного оборота коммутатора К1 щётка коммутатора влажности К2 проходит один его контакт; следовательно, длительность одного «сигнала влажности» равна длительности полной серии «температурных сигналов».
При вращении щётка Щ проходит сначала контакты Пк1 и Пк2. В это время в телефонных трубках приёмника слышны два длинных тире. После этого цепь сигналов влажности разрывается и производится передача сигналов температуры и давления. Как только щётка Щ коснётся контакта, соединённого с зубцом гребёнки Гв, на котором находится указатель УВ, посылка сигналов температуры и давления прекратится и вновь будет передаваться сигнал влажности. Таким образом, сначала передаются два длинных сигнала влажности, потом некоторое количество сигналов температуры и давления и снова один длинный сигнал (рис. 5, в).
Количество температурных сигналов между двумя продолжительными сигналами влажности равно, следовательно, номеру зубца гребёнки, на котором находится указатель УВ. Это позволяет сразу определить величину влажности, так как гребёнка Гв заранее проградуирована. Если, например, указатель УВ стоит на первом зубце гребёнки Гв (что соответствует 100% влажности), то после двух длинных сигналов будет слышна одна группа сигналов температуры и давления и затем снова длинный сигнал влажности. При положении указателя УВ на втором зубце длинный сигнал влажности будет слышен только после двух температурных и т. д. Далее начнётся передача сигналов температуры и давления, пока щётка Щ не вернётся на пластину Пк1. Так как зубец гребёнки давления, к которому присоединён контакт Пр, находится между 9-м и 10-м зубцами этой гребёнки и изолирован от них, до сигнала, передаваемого с помощью 9-го зубца, будут слышны два продолжительных контрольных сигнала для влажности. В момент прохождения 9-го зубца им будет предшествовать один длинный контрольный сигнал давления. Начиная с 10-го зубца гребёнки Гд снова пойдут только два контрольных сигнала для влажности. Такая смена контрольных сигналов облегчает определение давления.
В 1946 г. в Советском Союзе был предложен радиозонд без передатчика (см. В. В. Костарев. Радиозонд без передатчика. «Метеорология и гидрология» № 2, 1946 г.). Такой радиозонд работает в сочетании с радиолокационной станцией. Он несёт на себе четыре взаимно перпендикулярных проводника; длина каждого из них равна примерно одной четверти рабочей длины волны радиолокационной станции. Эти проводники могут замыкаться попарно через контакты реле.
При замыкании контактов реле образуется система двух полуволновых вибраторов, которые «отражают» импульсы радиолокатора гораздо сильнее, чем четвертьволновые проводники. Поэтому при замкнутых контактах реле приёмник радиолокационной станции принимает отражённые импульсы большей амплитуды. Если контакты разомкнуты, то интенсивность отражённых сигналов резко падает и сигнал на выходе приёмника радиолокационной станции практически отсутствует.
Цепь реле замыкается через коммутаторы такого радиозонда точно так же, как цепь анодной батареи обычного радиозонда.
Специальная приставка к радиолокатору позволяет преобразовать кратковременные отражённые импульсы в сигналы, подобные сигналам обычного радиозонда, и производить их запись.
С помощью радиолокатора легко определяется высота подъёма радиозонда. Сопоставляя запись сигналов с данными о высоте зонда, можно составить график изменения температуры, влажности и давления по высоте.
Б. Кривицкий, М. Максимов