5.2. Измерительные лампы как эталонные электрооптические измерительные преобразователи

5. 2. Измерительные лампы как эталонные электрооптические измерительные преобразователи

Таким образом, рассмотренные в предыдущем параграфе ЭОИП с полным правом можно отнести к так называемым «расчетным» источникам оптиче­ского излучения. Это означает, что излучательные характеристики и пара­метры МЧТ подчиняются фундаментальному закону Планка и определяются расчетом, а не путем измерений. Результаты расчета оказываются настолько точными, насколько точно определены эффективная излучательная способ­ность ___ и температура Т полости МЧТ.

Поэтому МЧТ следует признать абсолютными излучателями, а наиболее точные из них применяются в качестве ЭОИП в первичных эталонах, воспроизводящих единицы световых и энергетических величин некогерентного оптического излучения. От этих первичных «расчетных» источников оптиче­ского излучения размеры воспроизводимых единиц и шкал нужно передать другим, менее точным источникам, составляющим основу вторичных и рабо­чих эталонов. Такими источниками могут служить как МЧТ, так и, главным образом, различные эталонные лампы. Последние не являются расчетными излучателями; они хранят и передают размеры единиц и шкалы, но воспро­изводить их могут только после предварительной калибровки.

Ламповые вторичные эталоны можно классифицировать по нескольким признакам и разделить на группы по способу формирования потока излуче­ния [51]. Различные характеристики распределения оптического поля и на­правленности пучка излучения связаны с соответствующими радиометри­ческими величинами и геометрически эквивалентными им фотометрически­ми величинами. Широкое распространение получили эталонные лампы трех групп:

используемые и сертифицируемые по пучку, сформированному в одном направлении без применения проецирующей оптической системы; они, в свою очередь, могут быть разделены на две подгруппы:

· эталоны единиц силы излучения или силы света; лучистый поток или световой поток распространяется в единичном телесном угле;

· эталоны единиц облученности или освещенности; лучистый поток или световой поток падают на поверхность или на приемную площадку ОЭИП, расположенные на определенном расстоянии от лампы;

· используемые и сертифицируемые по пучку, сформированному в одном направлении с применением проецирующей оптической системы для ограни­чения определенной излучающей области — это эталоны единиц энергетиче­ской яркости или яркости;

· используемые в качестве эталонов, воспроизводящих размеры единиц сум­марного потока (лучистого или светового), распространяющегося во всех на­правлениях от лампы в пределах полного телесного угла __ ср.

В данном параграфе рассмотрены эталонные лампы разных типов и на­значений. Сначала описаны основные свойства и характеристики эталонных ламп, а затем приведены сведения об отечественных светоизмерительных лампах и ламповых МЧТ [51, 52]. Достаточно подробная информация о зару­бежных эталонных лампах содержится в [46].

5. 2. 1. Основные свойства и характеристики эталонных ламп.

Поскольку относительное спектральное распределение мощности излучения наиболее распространенных в метрологической практике вольфрамовых ламп подобно аналогичной характеристике планковского излучателя (по крайней мере, в видимой области спектра), их принято различать по цветовой тем­пературе или температуре распределения.

Напомним, что цветовой температурой считается температура планков­ского излучателя (черного тела), при которой цветность его излучения равна цветности излучения лампы. Если цветность не соответствует геометрическо­му месту точек, удовлетворяющих уравнению Планка, то цветовая темпера­тура, соответствующая точке на геометрическом месте, ближе всего располо­женной к точке, представляющей цветность источника света на шкале равно­мерной цветности, именуется коррелированной цветовой температурой.

Температурой распределения источника излучения в заданном ин­тервале длин волн от  до  называется температура  планковского излучателя, для которой удается изменением a и T минимизировать значение интеграла

 

где  — длина волны;  относительное спектральное распределение мощности излучения лампы; — относительное спектральное распре­деление мощности излучения планковского излучателя при температуре Т.

Обычно у вольфрамовой лампы цветовая температура и температура рас­пределения различаются незначительно. Спектральная излучательная спо­собность вольфрама изменяется с длиной волны, в результате чего свето­вое излучение вольфрамовой лампы накаливания несколько «зеленее», чем у планковского излучателя при той же цветовой температуре или температуре распределения. Разница между двумя относительными спектральными рас­пределениями мощности достигает ~ 5 % на границах видимого спектра излу­чения ленточной вольфрамовой лампы, но она значительно меньше у лампы с биспиральной нитью накала благодаря эффекту внутреннего переотражения между нитями. Как у всех ламп накаливания, у вольфрамовых ламп соотно­шение УФ и синего излучения в спектре увеличивается с ростом температуры, но при этом в рабочем режиме лампы ее характеристики изменяются быстрее. Многие ленточные лампы, используемые в качестве вторичных эталонов единиц яркости или энергетической яркости, первоначально создавались как пирометрические эталоны. Как известно, калибровка пирометров осуществ­ляется по шкале радиационной температуры, причем реперной длиной волны для визуальной пирометрии считается А = 665 нм. Поэтому при пользовании радиационной температурой длина волны излучения всегда должна быть четко обозначена. Поскольку спектральная излучательная способность воль­фрама находится в пределах от 0, 40 до 0, 48, его истинная температура всегда значительно выше радиационной. Важно отметить, что соотношения между различными категориями температур не являются фундаментальными, а за­висят от физических свойств индивидуальной лампы. В табл. 5. 5 приведены эквивалентные температуры для вольфрамовой ленточной лампы [51].

Вакуумные лампы используются в качестве излучателей во ВЭ при темпе­ратурах не более ~ 2400 К. При более высоких температурах скорость испаре­ния вольфрама с нити накала становится недопустимо высокой и приходится применять газонаполненные лампы накаливания. При заполнении лампы га­зом при давлении, близком к атмосферному, скорость испарения вольфрама с нити накала уменьшается примерно в 70 раз. Обычно используется аргон или иногда криптон с добавлением 10-15 % азота. Азот особенно эффективен в лампах, питаемых напряжением сети, так как предотвращает образование вблизи нити накала в зоне с низкой плотностью газа разрушительной высоко­температурной дуги.

Газонаполненные лампы обычно работают в качестве ВЭ при цветовых температурах от 2000 до 2900 К. При температурах < 2000 К следует при­менять вакуумные лампы, поскольку в газонаполненных лампах при таких температурах значительная часть мощности рассеивается путем конвекции и теплопроводности газа.

 

Таблица 5. 5. Эквивалентные температуры для вольфрамовой ленточной лампы

 

Температура распределения (цветовая температура), К	Истинная температура, К	Радиационная температура (А = 665 нм), °С

При этом лампы становятся предельно чувствительными к внешним воздействиям, что затрудняет регулирование и стабилиза­цию мощности излучения.

При температурах > 2900 К испарение вольфрама в газонаполненных лампах резко возрастает, и приходится переходить к специальным лампам, например, галоидно-вольфрамовым, в которых газ находится под давлением ~ (7-10) • 105 Па. Эти лампы, как правило, малогабаритны, их корпуса изго­товлены из толстого кварцевого или тугоплавкого стекла. При таких давлени­ях риск возникновения дуги минимизирован, и можно использовать чистый аргон или криптон. Небольшое количество галогена добавляется к инертному газу, чтобы при транспортировке лампы предохранить ее колбу от осаждения вольфрама. Температура колбы должна поддерживаться выше определенного минимального уровня, что ограничивает нижний предел рабочих температур лампы.

Существуют вольфрамовые лампы, заполненные газом под давлением, лишь слегка превышающим атмосферное, но при этом их тело накала выпол­нено из точно калиброванной проволоки. Этим обеспечиваются минимизация влияния испарения вольфрама на электрическое сопротивление нити и воз­можность работы лампы при температурах > 3000 К.

Максимальная рабочая температура ленточных ламп оказывается иногда ниже, чем у ламп с проволочной нитью накала. Вакуумированные ленточные лампы применяются при цветовых температурах ниже 2000 К, а газонаполнен­ные ленточные лампы служат ВЭ в диапазоне температур от 2000 до 2900 К. В настоящее время не существует ленточных галоидно-вольфрамовых ламп.

Изменение температуры влияет на СПЭЯ вольфрама значительно интен­сивнее в УФ и синей части спектра, чем в красной. Поэтому выбор рабочей температуры лампы чаще продиктован формой характеристики спектрально­го распределения ее потока излучения, чем его действительным суммарным значением. В табл. 5. 6. приведен ряд значений яркости и СПЭЯ вольфрама в зависимости от температуры [51].

 

Таблица 5. 6. Яркость и СПЭЯ вольфрама при разных коррелированных цветовых температурах

 

 

 

Коррелированная цветовая температура, К	Яркость, ___	Спектральная плотность энергетической яркости, ___• ср * нм
		300 нм	400 нм	700 нм
	1, 7-105	0, 0006	0, 07
	___	0, 0055	0, 33
	___	0, 033	1, 3
	___	0, 57
	1, 1 ■ 107	1, 6
	1, 8 • 107	4, 7

Как упоминалось ранее, описываемые лампы можно использовать во вто­ричных и рабочих эталонах фотометрических и радиометрических единиц, а также при воспроизведении и передаче спектральных распределений и плот­ностей соответствующих радиометрических величин.

Спектральное распределение мощности излучения является важнейшим свойством любого эталонного излучателя, даже если он не используется в качестве спектрорадиометрического эталона. В фотометрических эталонах основным требованием следует считать идентичность спектральных распре­делений мощности сличаемых эталонных ламп, в то время как во многих других, весьма распространенных случаях, от лампы требуется непрерывный, достаточно протяженный спектр излучения в представляющем интерес диа­пазоне длин волн. Поэтому в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра именно вольфрамовые лампы накаливания не имеют конкурентов в качестве фотометрических эталонов, но их преимущества не столь очевидны в УФ диапазоне.

Спектральное распределение мощности излучения вольфрамовых ламп накаливания близко к аналогичной характеристике планковского излучателя, причем так же зависит от температуры. Для уменьшения скорости дрейфа между калибровками большинство эталонных вольфрамовых ламп работают при коррелированной цветовой температуре, близкой к 2856 К (источник типа А по классификации Международной комиссии по освещению (МКО)). Даже при практически наивысших рабочих температурах, несколько превы­шающих 3100 К, примерно 90 % всей мощности излучения приходится на ИК диапазон, и лишь 0, 3 % остается на долю УФ диапазона. Поэтому вольфра­мовые лампы не используют при спектральных измерениях в диапазоне длин волн короче 300 нм.

Большую роль при использовании ламп в качестве эталонов играет их правильное старение, после которого наступает период стабилизации их из-лучательных характеристик. Поскольку конструкции и технология изготов­ления ламп у разных производителей отличны друг от друга, можно дать только общие рекомендации относительно периода старения: в среднем этот период занимает от 100 до 200 ч при необходимости регулярного контроля

можно производить, используя постоянный или переменный ток. Если лампа предназначена для работы на постоянном токе, то и ее старение следует проводить именно на постоянном токе с соблюдением одинаковой полярности источника в обоих режимах.

Рассмотрим специфические особенности проектирования, изготовления, монтажа и юстировки отечественных эталонных ламп различного назначения. Описание отечественных ламп, используемых во вторичных и рабочих этало­нах, заимствовано из обстоятельной монографии [52].

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: