Γлава 11 воспроизведение единиц и эталонных шкал фотометрических величин и передача их размеров в России

Γ лава 11 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЕДИНИЦ И ЭТАЛОННЫХ ШКАЛ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ИХ РАЗМЕРОВ В РОССИИ

11. 1. Методы исследований метрологических характеристик фотометров и/или радиометров

Начнем с простейшей аналогии, с измерения силы тока амперметром или напряжения вольтметром. При соблюдении нескольких простейших условий (шкала прибора проградуирована в нужных единицах, правильно выбраны пределы измерения прибора, принцип его действия соответствует роду из­меряемого тока или напряжения и пр. ) МВИ предельно проста: амперметр следует включить последовательно, а вольтметр — параллельно в измеряемую цепь и зафиксировать показание по шкале.

Нечто подобное происходит и при использовании фотометра, проградуиро-ванного в единицах освещенности или яркости. Измеряемый поток излучения направляется на приемную площадку ФГ, и производится отсчет показаний. Однако в данном случае все значительно сложнее, чем в рассмотренном аналоге из области электрических измерений. Фотометр (радиометр) должен быть предварительно детально метрологически исследован по всем парамет­рам и характеристикам. Особое внимание следует уделить исследованию его метрологических характеристик и методике последующих измерений.

Действительно, при градуировке, например, амперметра или вольтметра достаточно включить его, соответственно, последовательно или параллельно аналогичному эталонному прибору, после чего можно производить измерения методом непосредственной оценки.

В ситуации с фотометром все гораздо сложнее. Как будет показано далее, необходимо при градуировке прибора (равно как и при последующих пери­одических его калибровках или поверках) соблюдать определенные условия освещения прибора, обращая особое внимание на геометрию измерительной установки и спектральный состав излучения эталонного источника. Соответ­ственно, на оценку точности результата измерений фотометром будут оказы­вать влияние условия их выполнения, предусматриваемые МВИ.

Опишем методики исследований метрологических характеристик фото­метров (методики испытаний, калибровки (поверки) фотометров в целях утверждения типа).

Напомним, что основная задача прецизионного приборостроения для све­товых измерений — это создание люксметров, яркомеров и прочих фотометров с высоким качеством коррекции СХ ИГ этих приборов под относительную спектральную световую эффективность. Погрешность, вызванная отклонени­ем СХ от , неразрывно связана со спектральным составом измеряемого излучения и, как следствие, с назначением прибора.

Основные нормируемые метрологические характеристики СИ световых величин регламентируются разработанной во ВНИИОФИ в рамках едино­го нормативного документа методикой испытаний в целях утверждения ти­па (в дальнейшем испытаний) и калибровки (поверки), гармонизированной с рекомендациями МКО. Методика распространяется в первую очередь на люксметры и яркомеры и устанавливает методы и средства определения их метрологических характеристик.

Специально для разработчиков СИ световых величин, т. е. приборов или измерительных стендов, в которых используются ФГ или ИП оптических величин с коррекцией под , в данном параграфе описаны основные опе­рации исследований и определения составляющих суммарной погрешности таких приборов.

При проведении исследований (испытаний) или калибровки (поверки) должны быть выполнены операции, указанные в табл. 11. 1.

При выполнении испытаний и калибровки (поверки) люксметров и яр-комеров должны использоваться СИ, требования к которым приведены в табл. 11. 2.

Все установки, перечисленные в табл. 11. 2, и входящие в их состав СИ должны быть испытаны и калиброваны (поверены). Вместо указанных СИ допускается применять аналогичные, обеспечивающие измерения с такой же или меньшей погрешностью.

Примечание. Термин «метрологическая аттестация СИ» в связи с вы­ходом «Закона об обеспечении единства измерений» в 1993 году решением Госстандарта России заменен термином «испытания СИ с целью утвержде­ния- типа». Однако первый из этих терминов стандартизован [7] и привычен для нескольких поколений метрологов и измерителей. Он часто встречается в литературе по метрологии и измерениям. Поэтому мы в дальнейшем бу­дем использовать при необходимости термин «метрологическая аттестация», понимая под нею «исследование СИ, выполняемое метрологическим органом для определения метрологических свойств этого СИ, и выдачу документа с указанием полученных данных» [7].

1. Измерения OCX ФГ выполняют поэлементно и в сборе. Поэлементное измерение СХ рекомендуется при испытаниях приборов.

1. 1. Поэлементное измерение СХ ФГ включает в себя:

· измерение OCX ИП;

· измерение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра;

· измерение спектрального коэффициента диффузного пропускания диф­фузной насадки для люксметра.

Измерения всех спектральных величин производят с шагом по шкале длин волн не более чем 10 нм. Результаты измерений приводят в табличной форме.

Определение OCX ИΠ осуществляют путем сравнения с ИП с известной OCX (аттестованного ИП). Измерительные преобразователи поочередно уста­навливают за выходной щелью монохроматора таким образом, чтобы поток излучения не выходил за пределы их приемных площадок. Фиксируют реак­ции аттестованного и исследуемого ИΠ на отдельных длинах волн , меняя ИП либо на каждой длине волны, либо после прохождения всего диапазона рабочих длин волн для исследуемого ИП. OCX исследуемого ИП .

 

Таблица 11. 1. Операции при проведении исследований (испытаний) и калибровки

(поверки) фотометров

Наименование операции	Обязательность выполнения при:
	исследовании (испытании)	калибровке (поверке)
Внешний осмотр и опробование	+	+
Измерение относительной спектральной характе­ристики	+	+
Определение погрешности, вызванной отклонени­ем относительной спектральной характеристики от относительной спектральной световой эффектив­ности	+	+
Определение дополнительной погрешности, обу­словленной чувствительностью фотометрической головки прибора к излучению в ближних УФ и ИК областях спектра	+	-
Определение погрешности градуировки (калибров­ки, поверки)	+	+
Определение отклонения световой характеристики от линейной	+	-
Определение дополнительной погрешности при от­клонениях температуры от нормального значения	+	-
Определение косинусной погрешности (для люкс­метра)	+	-
Определение погрешности утомляемости	+	—
Определение погрешности системы индикации	+	—
Расчет основной относительной погрешности при­бора	+	+

определяют из соотношения:

(11. 1)

Где — выходной сигнал ИП; — выходной сигнал аттестованного ИП; — OCX аттестованного ИП.

Измерения спектрального коэффициента направленного пропуска­ния τ (λ ) корригирующего светофильтра производят с абсолютной погреш­ностью не более чем 0, 005, либо в однолучевом оптическом тракте с вводом и выводом светофильтра из луча, либо в двухлучевом спектрофотометре при освещении всей рабочей поверхности светофильтра. Измерения спектрального коэффициента диффузного пропускания диффузной насадки ФГ выполняют при условии полной засветки всей поверхности диффузного рассеивателя

 

Таблица 11. 2. Требования к фотометрам при исследованиях (испытаниях) и калибровке (поверке)

Номер пункта методики	Наименование средства измерений, номер или наименование нормативно-технического документа, ГОСТ и (или) метрологической характеристики
	Установка для измерения относительной спектральной характеристики в диа­пазоне длин волн 0, 25-1, 1 мкм. ГОСТ 8. 196-89.
	Погрешность коррекции. Расчетный метод.
	Оборудование по п. 1. 5 или лампа дуговая спектральная типа ДДС-30, ДДС-400 [ЛД(Д)], лампа кварцевая галогенная типа КГМ-1000, светоизмеритель­ная лампа типа СИС 107-1000, светофильтры типов УФС-6 и ИКС-5.
4-5	Эталонные средства измерений силы света, освещенности и яркости в соот­ветствии с ГОСТ 8. 023-90.
	Установка для измерения линейности функции преобразования приемно-измерительного тракта. Основная относительная погрешность установки не более 2 %.
	Установки по п. 4 и 5 с термостатирующей системой, поддерживающей тем­пературу фотометрической головки с погрешностью не хуже, чем ±1 °С.
	Установки по п. 4 и 5 с гониометром для фотометрической головки люксмет­ра. Погрешность установки угла в двух взаимно перпендикулярных плоско­стях 30 в диапазоне углов 0-85°, секундомер.

монохроматическим излучением. Погрешность измерения коэффициента диффузного пропускания  не должна превышать 0, 01. OCX ФГ рассчитывают в соответствии с выражением

1. 2. Измерения СХ ФГ в собранном виде производят в соответствии с вы­ражением (11. 1). Необходимым условием при этом для люксметра является полное засвечивание поверхности диффузного рассеивателя монохроматиче­ским излучением.

2. Погрешность, вызванную отклонением прибора от , определяют расчетным путем по формуле

где — относительное спектральное распределение измеряемого источни­ка света Ζ; — относительное спектральное распределение источника А; — относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО.

Примечание, — спектральное распределение любой энергетиче­ской величины источника оптического излучения.

Расчеты проводят для пяти источников излучения (Рекомендации МКО, Публикации №53 и №69): натриевой (НЛВД) и ртутной (РПВД) высокого давления, трехполосной люминесцентной (ЛЛ) и металлогалоидных МГЛ с тремя добавками и редкоземельными добавками — и оценивают погрешность качества коррекции по наибольшему из полученных значений, т. е.

Для люксметров и яркомеров специального назначения (измерения осве­щенности и яркости, создаваемой цветными сигнальными огнями, светоинди-каторными табло на светодиодах, люминесцирующими экранами, экранами дисплеев, кинескопов, телевизоров)  определяют с учетом спектрального распределения конкретных источников излучения.

3. Дополнительные погрешности, обусловленные чувствительностью ФГ приборов к излучению в ближних УФ и ИК областях спектра, определяют расчетным или расчетно-экспериментальным путем.

3. 1. Расчет дополнительной погрешности и обусловленной чувствительно­стью ФГ в ближней УФ области спектра, на основе результатов измерений OCX, производят по формуле

Определение и также может быть выполнено путем измерения выходных сигналов ФГ R (УФ) и R при облучении источником УФ излучения в соче­тании со специальным УФ фильтром и без него, соответственно. Использу- 1 емый фильтр не должен флуоресцировать. Выходной сигнал ФГ R должен превышать наименьший регистрируемый сигнал не менее чем в 1000 раз. Погрешность и в этом случае вычисляют по формуле

При этом

Где — спектральное распределение лампы; — спектральное пропускание УФ фильтра.

Допустимое значение и составляет не более 0, 1 · 10~2.

3. 2. Определение дополнительной погрешности г, обусловленной чувстви­тельностью ФГ в ближней И К области спектра, на основе результатов измерений OCX производят по формуле

Определение г также может быть выполнено измерениями выходных сигналов ФГ R (ИК) и R при облучении источником ИК излучения или источником типа А в сочетании со специальным ИК фильтром и без него, соответственно. Выходной сигнал R должен превышать минимальный реги­стрируемый сигнал не менее чем в 1000 раз. Погрешность г в этом случае вычисляют по формуле

При этом

Где — спектральное распределение лампы; — спектральное пропускание И К фильтра.

Допустимое значение г составляет не более 0, 8 · 10~2.

4. Определение погрешности градуировки люксметра выполняют одним из двух методов:

· путем измерения освещенности от источника типа А;

· путем сличения с фотометром с известным коэффициентом преобразо­вания (при освещении источником А).

Погрешность градуировки люксметра определяют при освещении люкс­метра в направлении, перпендикулярном к его приемной поверхности, в одной точке диапазона освещенностей на расстоянии от источника не менее чем 1 м. При использовании первого метода проводят поочередно измерения исследуе­мым люксметром освещенности от каждой из эталонных светоизмерительных ламп накаливания.

Лампу и люксметр устанавливают в оптическом тракте таким образом, чтобы центр тела накала лампы и центр приемной поверхности люксмет­ра находились на одной оптической оси. Тело накала лампы и приемная поверхность люксметра должны располагаться в плоскостях, перпендику­лярных оптической оси. Измеряют расстояние L (с погрешностью не более 0, 1 · 10~2) от плоскости тела накала лампы до плоскости приемной площадки ФГ люксметра в метрах. Вычисляют значение освещенности  в люксах от светоизмерительной лампы по формуле

где  — сила света i-й лампы.

Выводят лампу на рабочий режим и снимают показания люксметра . Определяют среднее арифметическое результатов наблюдений по формуле

                                       (11. 2)

где n — количество наблюдений.

При использовании второго метода проводят поочередное сличение пока­заний исследуемого люксметра с показаниями трех эталонных фотометров.

Фотометры поочередно устанавливают перед источником, фиксируют их реакцию и определяют действительное значение освещенности в плоскости приемной площадки фотометра по формуле

где Ri — выходной сигнал г-го фотометра; s, — световая характеристика г-го фотометра. Затем на том же расстоянии устанавливают исследуемый люксметр и снимают его показания Ех{. Перестановку приборов производят не менее двух раз. Определяют среднее арифметическое по формуле (11. 2). Определяют погрешность градуировки люксметра:

5. Погрешность калибровки яркомера определяют прямыми измерениями яркости протяженного равномерного источника типа А. Эталонный источник яркости может быть выполнен несколькими способами:

а) в виде сферического интегратора с известной выходной апертурой Q; ' б) в виде светоизмерительной лампы и диффузного рассеивателя, работа­ющего на пропускание, в комплекте с известной выходной апертурой Q;

в) в виде светоизмерительной лампы и диффузного рассеивателя, работа­ющего на отражение.

Для способов а) и б) яркость эталонного источника определяется по фор­муле

где Ε — освещенность, создаваемая на расстоянии / от эталонного источника с площадью светящейся поверхности Q; Ω ο — единичный телесный угол. Для способа в) яркость источника определяется по формуле

где I — сила света светоизмерительной лампы; l — расстояние между светоиз­мерительной лампой и диффузным рассеивателем; β — коэффициент яркости диффузного рассеивателя для геометрии .

Погрешность калибровки яркомера определяют из соотношения

где L_x — среднее арифметическое (аналогично п. 4).

 

6. Отклонение характеристики преобразования прибора от линейной опре­деляют во всем диапазоне измерений с использованием метода сложения света при помощи диафрагм с отверстиями или с источником дополнительного света.

Погрешность, обусловленную отклонением характеристики преобразова­ния от линейной, вычисляют по формуле

Где , i— количество выбранных поддиапазонов (г > 3); Ei — показание прибора при выбранном г-м уровне освещенности (яркости); Ej — показание прибора при выбранном j-м уровне освещенности (яркости) .

7. Определение погрешности измерения при отклонениях от нормальных значений температуры  производят при освещенности (яркости), соот­ветствующей наибольшему значению произвольно выбранного диапазона из­мерения прибора. В качестве источника света используют источник типа А.

Измерения проводят при помощи термостатирующей системы, изменяя температуру исследуемого люксметра от минимального до максимального значения в соответствии с рабочими условиями применения. Термостатирующая система должна обеспечивать при заданной температуре возможность создания постоянной освещенности на приемной поверхности прибора и воз­можность наблюдения за его показаниями. Термостатирующая система долж­на позволять поддерживать температуру исследуемого прибора с погрешно­стью, не превышающей ±1 °С. Температуру воздуха измеряют при помощи термометра, расположенного вблизи приемной поверхности прибора.

Прибор помещают в термостатирующую систему, выдерживают при уста­новившейся температуре не менее 1 часа и производят отсчет показаний при фиксированных температурах. Освещение ИП прибора необходимо произво­дить только в момент считывания его показаний. Измерения повторяют после естественного охлаждения (нагрева) прибора в термостатирующей системе до нормальной температуры.

Температурную зависимость показаний прибора характеризуют выраже­нием

где Е(Т) — показание прибора при заданной температуре Т; E(T₀) — пока­зание прибора при номинальном значении температуры, равном 23 °С.

Для температурной характеристики прибора определяют температурный коэффициент а в относительных единицах на градус Цельсия по формуле

Где — показание при максимальной температуре эксплуатации; — показание при минимальной температуре эксплуатации.

Действительное значение освещенности при температуре Τ рассчитывают по формуле

Где .

 

8. Косинусную погрешность люксметра определяют на одном из его диа­пазонов измерений при освещении источником типа А.

Особое внимание следует обратить на защиту ФГ от рассеянного света. Вращением ФГ вокруг горизонтальной или вертикальной оси изменяют угол падения по отношению к центру диффузной насадки ФГ. Центр вращения должен совпадать с центром диффузной насадки.

Измерения производят как минимум в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Зависимость показаний люксметра от угла падения света харак­теризуют выражением

Где — показание люксметра, зависящее от угла падения , измеренного по отношению к нормали к приемной площадке ФГ, и азимутального угла φ. Предел допускаемой дополнительной погрешности в зависимости от угла падения света (косинусная погрешность) не должен превышать значений, приведенных в табл. 11. 3.

 

Таблица 11. 3. Допустимые значения косинусной погрешности

Угол падения света, град.	Косинусная погрешность, отн. ед.
	0, 2-Ι Ο " 2
	1, 0 -Ι Ο " 2
	2, 0 · Ι Ο " 2
	7, 0·10-2
	15, 0 · Ι Ο " 2

 

9. Погрешность утомляемости определяют при стабильном освещении люксметра (яркости эталонного источника яркости для яркомера) в направле­нии, перпендикулярном к его приемной поверхности, при наибольшем уровне измеряемой им освещенности (яркости). В качестве источника света исполь­зуют источник А. Время измерений контролируют при помощи секундомера. Прибор выдерживают в темноте в течение не менее 24 часов, затем освещают и снимают его показания через промежуток времени t₀, соответствующий времени выхода прибора на рабочий режим, а затем через t. Определяют погрешность утомляемости в соответствии с выражением

где E(t) и E(t₀) — показания прибора через t₀ и t соответственно.

Допускается характеризовать утомляемость с помощью одной числовой величины, определяемой по формуле

где Ε (30 мин) — показание прибора через 30 минут после начала освещения; £ 7(10 с) — показание прибора через 10 с после начала освещения.

 

10. Погрешность отображающего устройства люксметра (яркомера) с циф­ровым представлением результата измерения определяют в соответствии с уравнением

или

где к — коэффициент перехода между шкалами; d — погрешность квантования (например, ± 1 цифра); Ртах — максимальное отображаемое дисплеем число (для 2-разрядного — 99; 3-разрядного — 999; 4-разрядного — 9999; 31/2-раз­рядного — 1999).

 

11. Расчет основной относительной погрешности СИ освещенности и яр­кости выполняют по формуле

Практически все изложенное в данном параграфе непосредственно отно­сится и к радиометрам, только следует при этом помнить, что их ИГ преобра­зуют не световые, а энергетические величины. Это означает, что радиометры градуируются в энергетических единицах.

В качестве конкретного примера передачи размера единицы рассмотрим методику калибровки по освещенности фотометрической головки люксметра по источнику типа А при промышленном выпуске этого прибора. Подобную передачу размера единицы можно классифицировать как эталонное измере­ние фотометрической величины.

Калибровка ФГ должна выполняться с помощью фотометрической уста­новки, состоящей из: оптического тракта; системы юстировки; рабочего эта­лона, в состав которого входят группы светоизмерительных ламп типов СИС 107-500 или СИС 40-100 и (или) группа фотометрических головок с извест­ным коэффициентом преобразования для измерений силы света и освещенно­сти, создаваемых источником типа А; системы питания; системы защиты от рассеянного света; системы регистрации и обработки информации; системы измерения расстояний.

В зависимости от состава рабочего эталона возможны два сценария вы­полнения калибровки Φ Г.

1. В состав РЭ входит группа светоизмерительных ламп. Процесс калибровки состоит из следующих операций:

· устанавливают одну из ламп эталона в патрон стола для юстировки;

· винтами узла юстировки и с помощью лазера, задающего оптическую ось всего тракта, устанавливают тело накала лампы перпендикулярно опти­ческой оси так, чтобы линия лазера проходила через центр тела накала лампы и через центр окна экрана, установленного для каждого типа светоизмери­тельных ламп и обеспечивающего экранирование излучения от всей колбы (открытым остается только тело накала лампы);

· в соответствующий узел крепления и юстировки устанавливают калиб­руемую ФГ;

· юстируют ФГ в оптическом тракте таким образом, чтобы оптическая ось (луч лазера для юстировки) проходила через центр диффузной насадки;

· измеряют расстояние / между телом накала лампы и плоскостью, каса­тельной к плоскости, проходящей через центр диффузной насадки люксметра, с помощью сфокусированного визирного устройства с перекрестием, совме­щенным с оптической осью тракта;

· подают напряжение на лампу, постепенно доводя до паспортного значе­ния;

· после 15-минутного прогрева лампы при заданном напряжении питания измеряют ток лампы, сверяя его с записанным в свидетельстве о поверке эталона значением;

· рассчитывают освещенность в плоскости ФГ по формуле

где …. — сила света (свидетельство о поверке РЭ);

· резистором люксметра устанавливают на дисплее электронного блока показание люксметра  для первой лампы эталона;

· весь сценарий повторяют для каждой из ламп, входящих в состав эта­лона;

· показание люксметра  для каждой из η ламп сравнивают с расчетным j значением , полученным по приведенной формуле на основании значения силы света лампы, приведенного в свидетельстве о поверке РЭ, определяя при этом — разницу между ними;

· СКО результата калибровки рассчитывают по формуле

 

2. В состав РЭ входит группа фотометрических головок. Если РЭ единицы силы света и освещенности состоит только из группы ФГ, операция калибровки люксметра сводится к прецизионному измерению освещенности (создаваемой светоизмерительной лампой, работающей в режиме источника типа А) в плоскости, куда будет помещена ФГ калибруемого прибора.

В этом случае может быть использована одна светоизмерительная лампа, к которой предъявляются только два требования: во-первых, высокая ста­бильность за время горения порядка двух часов, а, во-вторых, ее цветовая температура должна составлять 2856±30 К, т. е. лампа выступает в роли компаратора.

В оптическом тракте, аналогичном тракту, приведенному в первом сцена­рии, юстируется светоизмерительная лампа. Создаваемая освещенность из­меряется с помощью группы ФГ в ранге рабочего эталона. При этом ФГ устанавливаются в плоскости измерений таким образом, чтобы их апертурная диафрагма была перпендикулярна оптической оси, которая, в свою очередь, должна проходить через центр апертуры. Освещенность рассчитывается по формуле

где E_i = R_i/s_i — освещенность, измеренная с помощью i-й ФГ; R_i — сигнал соответствующий ФГ; s_i [А/лк] — коэффициент ее преобразования.

Независимо от типа ФГ в составе рабочего эталона (с тубусом входных диафрагм или с одной апертурой) необходимо тщательно проверять влияние рассеянного света на результаты измерений. Как правило, такая операция проверки выполняется в процессе исследований установки в целом и оценива­ется погрешностью выполнения закона обратных квадратов. Особенно опасен рассеянный свет в процессе операции калибровки ФГ люксметра, так как она имеет насадку для косинусной коррекции.

После определения освещенности в плоскость выполнения измерений по­мещается ФГ люксметра. На дисплейном экране блока электроники люкс­метра регулировочным резистором устанавливается полученное в результате измерений с ФГ эталона значение . Таким образом, СКО результата калиб­ровки люксметра по источнику типа А будет определяться СКО результата измерения освещенности в заданной плоскости.

Практика измерений показала, что СКО результата калибровки по второ­му сценарию в 1, 5-2 раза меньше по сравнению с первым. Это подтверждает преимущества детекторного подхода в эталонных измерениях в фотометрии.

⇐ Предыдущая33343536373839404142Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: