Радиотелеизмерение параметров окружающей среды при изучении экологии животных (Л. Коул)

Экологов гораздо чаще интересует не "перемещение масс воздуха", измеряемое Бюро погоды, а микроклимат у поверхности почвы или в зарослях травы, так как именно он оказывает решающее влияние на животных. Мы занимались также мезоклиматом (промежуточное звено между климатом и микроклиматом), для которого важное значение имеет топография местности; иногда роль этого фактора столь велика, что под его влиянием некоторые животные обитают лишь на одной стороне холма или долины. Представляет интерес также топоклимат, или "климат" определенного места, - скажем, внутри пустых колод, под камнями или в шерсти крысы, где живут блохи. Ясной холодной ночью можно обнаружить, что при подъеме на высоту порядка 6 м температура повышается. Очевидно, птицы знают это и устраиваются на ночлег на высоте, соответствующей максимуму температуры. Под снежным покровом температура может быть на 50° выше температуры воздуха, и там, у земли, могут сохранять активность грызуны. При спуске под воду встречается зона быстрого понижения температуры, ниже которой находится область примерно постоянных температур. Все эти местные вариации окружающих условий имеют глубокое биологическое значение, и экологи постоянно ищут способы для их изучения.

Когда в 1957 г. я впервые узнал о транзисторах, то, естественно, попытался построить передатчик и использовать его для дистанционного измерения температуры. Конечно, вскоре я обнаружил, что любой генератор на транзисторе изменяет свою частоту при отклонениях температуры. Если иметь достаточно хороший приемник, позволяющий точно измерять частоту, то таким способом можно измерять температуру на расстоянии.

Однако я стремился сконструировать такой дешевый карманный транзисторный прибор, который позволил бы измерять температуру на вершине дерева или скалы, не вылезая из спального мешка. Ниже излагается мое решение этой задачи, которое позволяет проводить дистанционное измерение целого ряда параметров с точностью, по крайней мере равной той, которую можно получить обычными приборами. Точность, прочность, универсальность и экономичность прибора превысила все мои ожидания.

Основной передатчик

Когда Х. Миррием и я, изыскивая пути к увеличению срока службы передатчика, начали работать над схемами импульсных передатчиков, мне пришла в голову идея, что для осуществления дистанционного измерения температуры можно с помощью секундомера подсчитывать частоту импульсов (как это делают врачи), модулируемую от датчика температуры. Мой подход к этой проблеме был чисто эмпирическим. Я уверен, что за часы, проведенные нами перед щелкающим приемником, мы заработали репутацию любителей очень странных радиопрограмм.

В результате нашей работы появилась основная схема, показанная на фиг. 1. Она обеспечивает точное измерение температуры и элементы ее очень дешевы. Передатчик можно сделать достаточно прочным для того, чтобы посылать его в недоступные места с помощью стрел, рогаток и т. п. Если использовать высококачественные элементы ценой до 10 долларов, то можно получить передатчик с хорошей температурной стабильностью в пределах от -20° до +40°. Применение в качестве датчиков температуры термисторов позволяет измерять температуру с точностью 0,25°. Этот же передатчик можно использовать для измерения интенсивности света, относительной влажности, барометрического давления, влажности почвы и других параметров, для которых можно построить датчик, преобразующий изменение параметра в изменение сопротивления.

Фиг. 1. Основная схема передатчика

В схеме на фиг. 1 можно использовать любой транзистор типа р-п-р для диапазона звуковых частот. Если на первом плане стоит стоимость и можно пренебречь изменением частоты импульсов при изменении температуры самого транзистора, то наиболее целесообразно применять триоды 2N1265 ценой 40 центов. Для миниатюрного передатчика можно использовать триод 2N218 ценой 1 доллар 40 центов. Но для точного измерения температуры окружающей среды следует выбрать триод 2N123 (3 доллара 50 центов).

Частота импульсов не меняется при изменении напряжения батареи В₁ в пределах от 2,4 до 8 в. При падении напряжения батареи ниже 2,4 в частота увеличивается и возникает необходимость в коррекции. При типичных условиях работы потребление тока составляет 10-60 ма⋅час в день. Это дает большую свободу в выборе типа батареи. При предельной миниатюризации я использовал два "пуговичных" перезаряжаемых никель-кадмиевых элемента. Они обеспечивают работу передатчика в течение 2 дней, но уже через 24 нас может потребоваться коррекция на падение напряжения. При использовании таких батарей я легко поместил передатчик в пластмассовую трубку размером 55×15 мм. Поскольку ртутные батареи имеют постоянное напряжение разрядки, их применение более предпочтительно.

Обмотки L₁ и L₂ намотаны внавал (в одинаковом направлении) на ферритовом стержне диаметром 6 мм, обернутом жесткой бумагой. Обмотка L₁ (10 витков) намотана первой, а L₂ (20 витков) - на L₁. Применялся медный провод диаметром 0,36 мм в эмалевой изоляции. Витки закреплялись раствором целлулоида. При большем диаметре провода передатчик тоже работал вполне удовлетворительно. После сушки ферритовый стержень удаляли и отрезали кусок бумажной трубки (с катушкой) длиной 6-12 мм. Затем ферритовый стержень длиной 6-12 мм вводили в эту бумажную трубку на такое расстояние (устанавливаемое экспериментально), при котором наблюдался максимум сигнала, причем сила сигнала не уменьшалась во всем предполагаемом диапазоне изменения сопротивления R₁. После настройки ферритовый стержень закрепляли раствором целлулоида.

В том случае, когда можно пренебречь изменением температуры самого транзистора, используется обычный дешевый электролитический конденсатор С₁ в алюминиевом корпусе. При точном измерении температуры необходимо взять сухой танталовый конденсатор типа SCM4 (фирма Texas, цена 1,5 доллара). Номинал конденсатора С₁ следует подбирать, исходя из заданного диапазона изменения частоты. Чем меньше сопротивление R₁, тем больше частота импульсов. С помощью секундомера трудно определить частоту импульсов, превышающую 200 имп/мин. Эта частота соответствует R₁ = 50 ком и С₁ = 6,8 мф или R₁ = 15 ком и С₁ = 13,6 мф. Для особых целей я использовал танталовый конденсатор С₁ = 110 мф и уменьшил сопротивление R₁ до 5 ком, но при этом сигнал искажался.

Для определения комбинаций R₁ и С₁ при больших значениях R₁ следует запастись терпением. Если R₁ = 1 Мом, то при С₁ = 6,8 мф частота импульсов равна 10 имп/мин, а при С₁ = 3,4 мф она равна 25 имп/мин.

В качестве R₁ можно использовать целый ряд датчиков. При С₁ = 6,8 мф термистор с сопротивлением, равным 100 ком при t = 20°С, перекроет обычный диапазон изменения температур. Если использовать транзистор 2N123 и конденсатор SCM4, то генератор почти нечувствителен к температурной нестабильности транзистора (ошибка не более 1/2°С при изменении собственной температуры транзистора от -20°до +40°С). Для каждого генератора строится кривая зависимости частоты импульсов от окружающей температуры. При использовании дешевых транзисторов и конденсаторов характеристики передатчиков могут искажаться. Однако точное измерение частоты остается возможным. Поскольку в этом случае на частоту импульсов влияет не только R₁, но и собственная температура транзистора и конденсатора, то появляется дополнительная задержка в измерениях. Если измеряется не температура, а другие параметры, нужно вводить поправку на колебания температуры, так как иначе при использовании дешевых элементов ошибка может быть весьма значительной.

Я опробовал целый ряд датчиков относительной влажности и пришел к выводу, что удовлетворительные результаты дает лишь чувствительный элемент фирмы El-tronics ценой 9 долларов. У этого датчика R = 2000 ом при относительной влажности 100% и R = 20 Мом при относительной влажности 5%; он прочен, мало чувствителен к пыли и мало подвержен коррозии.

С описанным выше генератором будет удовлетворительно работать почти любой фотоэлемент, хотя большинство из тех, которые имеются в продаже, слишком чувствительны и часть окошка должна быть у них закрыта. Сульфито-кадмиевый фотоэлемент CDS-10 при тусклом свете работает хорошо, но уже при освещенности 200 фут⋅св его сопротивление становится слишком малым и необходимо либо дополнительное покрытие, либо последовательно включенное сопротивление. Миниатюрный кадмиево-селеновый фотоэлемент CL-3 (цена 3,5 доллара) имеет такую же характеристику, но значительно меньшее запаздывание и повышенную чувствительность к инфракрасным лучам.

Для измерения влажности почвы можно применять стандартные гипсовые блоки, для измерения барометрического давления и целого ряда других параметров (например, давления ветра или воды) - микродатчики и имеющиеся в настоящее время чувствительные к давлению краски. Сконструированный нами передатчик позволяет также измерять проводимость воды и содержание в ней солей.

Работа передатчика

Импульс передатчика имеет следующую форму: резкий подъем от нуля до 200 ма, уменьшение по кривой, напоминающей лыжный трамплин, и резкое падение до нуля. Длительность импульса 15 мсек. Передатчик работает в широком диапазоне частот и его сигналы могут быть приняты любым расположенным поблизости приемником в любое время дня, Включение конденсаторов параллельно катушке позволяет осуществить дополнительную настройку, но я считаю непрактичным и нежелательным ограничивать значительную часть выходных сигналов узкой полосой частот.

Широкий диапазон частот передатчика дает возможность приема различных сигналов в самых разнообразных условиях. Низкочастотные сигналы хорошо проходят через живую ткань и сырую почву. При небольших расстояниях прием возможен (вопреки теории) даже тогда, когда передатчик находится в металлическом цилиндре или заключен для охлаждения в металлический радиатор. Благодаря этому такой передатчик можно использовать при изучении условий среды или движений экспериментальных животных в закрытой камере.

В отсутствие антенны передатчик работает удовлетворительно на расстояниях до 30 м. Это расстояние увеличивается при подключении антенны к минусу конденсатора С₁ и особенно при передаче сигналов по проводам. Однажды я опустил (на проводе) передатчик на дно озера Каюга и измерил температуру на глубине 120 м. В другой раз я проводил измерения в Тихом океане и получал отчетливые сигналы от передатчика, находящегося на глубине 30 м.

Передатчик с большим радиусом действия

30 м - вполне достаточная высота для измерений на деревьях. Однако я работал в местности, где были отвесные скалы высотой до 600 м, на которых требовалось произвести некоторые замеры в ночное время. Чтобы выполнить эту задачу, я решил перейти на частоту 27 Мгц в диапазоне СВ^*, где можно использовать для подобных целей 23 канала связи от 26,965 до 27,255 Мгц.

^* (СВ - диапазон для индивидуальных станций (460-470 Мгц). - Прим. перев.)

Решая, перестроить ли мой передатчик на диапазон СВ или добавить высокочастотный каскад, я нашел простую модификацию основной схемы передатчика. Полученную схему можно использовать как дополнительный каскад, не уменьшая устойчивость и надежность работы основного каскада. Схема дополнительного каскада приведена на фиг. 2. Он представляет собой СВ-генератор с кварцевой стабилизацией, запускаемый при подаче сигнала с минуса С₁ (см. фиг. 1) на эмиттер транзистора дополнительного каскада. На открытой местности сигналы такого 2-каскадного передатчика можно принять на расстоянии 0,8 км с помощью дешевого портативного приемопередатчика для диапазона СВ. При дополнительном усилении сигналов возможно дальнейшее увеличение радиуса действия.

Фиг. 2. Схема дополнительного каскада передатчика

Работа высокочастотной части схемы больше зависит от изменения параметров. В качестве второго транзистора Т₂ я не нашел ничего более подходящего, чем японский триод 2SA103. После настройки, осуществляемой посредством изменения сопротивления R₂ и перемещения ферритового стержня в катушке L₃, сигналы передатчика напоминали по звуку крик птицы. Вместо японского триода можно использовать значительно большие по размеру американские транзисторы 2N370, 2N371 и 2N372 (они немного дороже). Катушка L₃ настраивается так же, как L₁ и L₂, и состоит из 6 витков, намотанных один за другим на ферритовом стержне диаметром 6 мм. Сопротивление R₂ представляет собой миниатюрный потенциометр, который может быть заменен постоянным сопротивлением, хотя следует учесть, что требуемый номинал R₂ меняется с изменением других элементов. Остальные сопротивления стандартные (мощность 0,25 вт или больше), конденсаторы - миниатюрные керамические диски, причем значения емкости не имеют решающего значения. Напряжение батареи В₂ должно составлять примерно 6 в. В качестве В₂ наиболее подходит батарея TR164. Антенна длиной не более 1,2 м подключается непосредственно к коллектору Т₂.

У меня пока еще слишком мало опытных данных, чтобы обсуждать достоинства и недостатки этой схемы. В настоящее время питание основного каскада передатчика, обладающего замечательной стабильностью, отделено от питания дополнительного, более "темпераментного" каскада. Единственная связь между каскадами - от минуса С₁ (фиг. 1) на эмиттер Т₂ (см. фиг. 2). При такой схеме основной каскад продолжает работать при отказе дополнительного каскада.

Но если оба каскада работают нормально, то я могу лежать в своем спальном мешке и с помощью моего 40-долларового приемопередатчика и пригоршни кварцев измерять 23 параметра на вершине возвышающейся надо мной 600-метровой скалы. А с помощью реле времени, подключенного к печатающему устройству и приемнику, эти данные записываются и тогда, когда я сплю.

Обсуждение доклада

Маккей. Мне хочется сделать несколько замечаний, которые могли бы внести ясность в рассматриваемый вопрос. Прежде всего, для ваших схем лучше использовать кремниевые транзисторы, хотя они и дороже. Во-вторых, при широком диапазоне частот в течение всего дня вторая группа колебаний не будет начинаться точно в той фазе, в какой окончилась первая. При определенных схемах вы потеряете эту широкую полосу. К тому же в одних случаях она желательна, а в других - нет. Например, если колебания когерентны, то вы вообще не обнаружите их в вашем диапазоне частот. В-третьих, при непрерывно работающих схемах температурная компенсация зависит от 6 различных факторов. Я придерживаюсь той точки зрения, что лучше всего не иметь никакой температурной компенсации, особенно в случае, когда вы занимаетесь физиологией человека. Это очень удобно, когда нужно проглатывать подобные вещи. Человек просто запивает датчик глотком холодной воды, и если обнаруживается внезапное изменение частоты, то это означает, что датчик уже в желудке. Если частота не меняется, то, значит, он находится в кишечнике. Этот способ, по крайней мере, экономит большое количество рентгеновских снимков и счетов за них. И, наконец, я хочу сказать, что вопреки широко распространенному мнению телеметрия не дает решения всех проблем. Лучший способ наблюдать термоклины в воде - одеть водолазный костюм и пойти посмотреть на них. Обычно в теплом слое воды иной коэффициент преломления, иная прозрачность и иные обитатели. Поэтому вы, действительно, можете сидеть в воде и наблюдать термоклины. Есть много вещей, которые лучше делать без помощи телеметрии.

Ко. Я хотел бы знать, использовал ли кто-нибудь на небольших расстояниях передатчики на туннельных диодах. Можно построить генератор на туннельном диоде для двух или трех частот, расположенных около 600 кгц, и получить передатчик, сигналы которого принимаются обычным приемником.

Коул. Что касается туннельных диодов, то могу сказать, что при импульсе их ток резко поднимается до 200 ма, затем падает по кривой, напоминающей лыжный трамплин. Форма импульсов не меняется с изменением частоты в широких пределах.

Маккей. Большую часть времени транзистор закрыт, и сигнал, который вы наблюдаете, не зависит от остальной части схемы. Вот почему форма импульса неизменна.

Болдуин. Я хотел бы спросить у д-ра Коула о точности измерений температуры.

Коул. Если вы наберетесь терпения, чтобы считать достаточно долго, то вы получите точность до 1/4°С.

Болдуин. Вы хотите иметь такую точность в экспериментальном приборе?

Коул. Вполне удовлетворительна и точность 0,5°С, так как, судя по литературе, это точность многих измерений с ртутными термометрами.

Норрис. Вы упомянули о верхнем пределе +40°С. Имеется ли способ получить показания при температуре на 10° выше этой?

Коул. Один раз я пытался измерить более высокую температуру, но при этом на точность данных влияло увеличение температуры самого транзистора. Я не составлял калибровочную таблицу для этого случая. 40°С - температура, достаточно близкая к максимальной температуре среды, которая может нас интересовать.

Норрис. Я думаю, что на ваш приемник влияет целый ряд факторов и что если вы вынесете термистор вне прибора, а затем поместите его в прибор, то эти две системы не будут эквивалентны. Не так ли?

Коул. Вы можете присоединить термистор сколь угодно длинным проводом; термистор имеет такой высокий температурный коэффициент, что длина провода совершенно не влияет на результаты.