Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

11.2. Воспроизведение фотометрических шкал и единиц и передача их размеров вторичным эталонам

Современный первичный эталон канделы, возглавляющий Государственную поверочную схему в этом виде измерений, разработан во ВНИИОФИ и базируется на сочетании высокотемпературной МЧТ и эталонного радиометра. От первичного эталона канделы размер единицы фотометром передается эталонным лампам силы света.

Рассмотрим более подробно первичный эталон канделы, систему ОЕИ в области фотометрии и перспективы воспроизведения люмена на основе ВМЧТ.

Структурная схема эталона канделы изображена на рис. 11. 1. Эталонная установка состоит из первичного фотометра, ВМЧТ, систем измерения температуры ВМЧТ, спектрального пропускания светофильтра, сбора и обработки измерительной информации, передачи размера единицы.

Калибровочный коэффициент радиометра

где U_e — выходной сигнал радиометра; Е_е — СПЭО в плоскости апертурной диафрагмы радиометра, причем ее значение определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана:

где — корректирующий коэффициент, учитывающий дифракционные потери на выходной апертуре ВМЧТ и входной апертуре радиометра; К_е — корректирующий коэффициент, учитывающий геометрические размеры апертуры ВМЧТ; Q — площадь выходной апертуры ВМЧТ; Τ — температура излучающей полости ВМЧТ; σ — постоянная Стефана-Больцмана; I — расстояние между апертурами ВМЧТ и радиометра; — эффективная излучательная способность ВМЧТ.

Рис. 11. 1. Структурная схема эталона канделы ВНИИОИ: 1 — фотопирометр; 2 — ВМЧТ; 3 — клапан подачи холодной воды; 4 — апертурная диафрагма; 5 — радиометр; 6 — фотометр; 7 — гониометр; 8 — вакуумированный резервуар с радиометром; 9 — лампа сравнения; 10 — лампы ВЭ; 11 — котировочные лазеры; 12 — микроскоп; 13 — теодолит; 14 — спектрометр; 15 — зеркала

После измерения Τ ι и Т₂ радиометр удаляется с оптической оси, а моно-хроматором выполняется измерение на длине волны λ в видимой области спектра. Температура Τ ι выбирается в диапазоне 1800-2000 К, а Т₂ — от 2500 до 3000 К. Тогда находим [4, б]:

;

Откуда

;

где с₁, c₂ — постоянные излучения.

С учетом этих соотношений, при температуре Τ ₂,

Затем с помощью отдельной установки измеряется спектральное пропускание корригирующего под светофильтра. Для обеспечения достаточной точности измерений фильтр помещается перед входом в модель радиометра, состоящую из набора входных диафрагм, геометрические параметры которого в точности соответствуют набору диафрагм реального радиометра. Излучение калибруемой эталонной лампы силы света проходит сквозь фильтр и модель оптического входа радиометра и воспринимается спектрометром. Затем радиометр помещается в специальный вакуумированный резервуар с находящимся перед ним -фильтром. Освещенность, создаваемая калибруемой лампой на входной диафрагме радиометра, равна , а калибровочный коэффициент первичного фотометра равен

где — выходной сигнал фотометра, облучаемого калибруемой лампой с СПЭО .

Значения и определяются из соотношений

;

где и τ (λ ) — соответственно, максимальное значение и распределение относительного спектрального пропускания фильтра.

С учетом вышеприведенных соотношений получаем выражение для калибровочного коэффициента фотометра:

Оказалось, что использование Закона Стефана-Больцмана вместо закона Планка снижает влияние неопределенности измерения температуры на точность воспроизведения канделы в 2, 5 раза. Именно поэтому калиброванный по ВМЧТ радиометр, а не просто ВМЧТ, был выбран в качестве основы ПЭ канделы.

В табл. 11. 4 приведены составляющие и суммарная неопределенность воспроизведения канделы во ВНИИОФИ.

В целях реализации системы ОЕИ световых величин была разработана и внедрена с 1991 г. Государственная поверочная схема во главе с ПЭ канделы.

Таблица 11. 4. Сводная таблица неопределенностей воспроизведения канделы во ВНИИОФИ

Источник неопределенности	Значение при доверительном уровне 95 %, %
Сигнал первичного фотометра, U	0, 05
Расстояние, /	0, 10
тт (при λ = 555 нм)	0, 10
Ее (погрешность измерения Т)	0, 35
£ эф	0, 05
Q	0, 03
Κ ά	0, 03
Нестабильность Sv	0, 10
Суммарное значение (квадратурное суммирование)	0, 40

Первичный и вторичные эталоны. Государственный первичный эталон применяют для передачи размера единицы силы света эталону-копии методом косвенных измерений.

В качестве эталона-копии единиц силы света и освещенности — люкса (лк) применяют комплексы, каждый из которых состоит из пяти светоизмерительных ламп типа СИС (переменных по своему составу групп) с номинальными значениями силы света (35±4) кд, при цветовой температуре (2860±15) К, (500±50) кд, при цветовой температуре (2800±15) К и (100±10) кд, при цветовой температуре (2860±15) К, и (или) не менее трех фотометров в диапазоне измерений (30-1500) лк; компаратора (фотометра или светоизмерительной лампы); оптического стенда, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля. Средние квадратические отклонения результатов сличений эталона-копии единиц силы света и освещенности с государственным не должны превышать 0, 26 · 10~2. Эталон-копию единиц силы света и освещенности применяют для передачи размеров единиц ВЭ сличением при помощи компаратора (фотометра или светоизмерительной лампы) и методом косвенных измерений.

В качестве ВЭ единиц силы света и освещенности непрерывного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из пяти светоизмерительных ламп типа СИС (переменных по своему составу групп) с номинальными значениями силы света (35±4) кд, при цветовой температуре (2360±15) К, (500±50) кд, при цветовой температуре (2800±15) К и (100±10) кд, при цветовой температуре (2860±15) К, и (или) не менее трех фотометров в диапазоне измерений (10-1500) лк, компаратора (фотометра или светоизмерительной лампы), оптического стенда, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля.

В качестве ВЭ единицы светового потока — люмена (лм) непрерывного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из пяти светоизмерительных ламп типа СИП (переменных по своему составу групп) с номинальными значениями светового потока (500±50) лм, при цветовой температуре (2360±15) К и (3500±400) лм, при цветовой температуре (2800±15) К, фотометра, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля.

В качестве ВЭ единиц силы света и освечивания — канделы-секунды (кд· с) импульсного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из пяти светоизмерительных ламп типа СИС (переменных по своему составу групп) с максимальными значениями силы света (35±4) кд, при цветовой температуре (2360±15) К, (500±50) кд, при цветовой температуре (2800±15) К и (100±10) кд, при цветовой температуре (2860±15) К и значениями освечивания от 0, 1 до 1000 кд-с, системы формирования импульса, компаратора (фотометра и экспозиметра), оптического стенда, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля. Средние квадратические отклонения результатов сличений ВЭ единиц силы света и освещенности непрерывного излучения с эталоном-копией не должны превышать 0, 3 · 10~2. Средние квадратические отклонения результатов сличений ВЭ единицы светового потока непрерывного излучения с эталоном-копией не должны превышать 0, 7 · 10~2. Средние квадратические отклонения результатов сличений ВЭ единиц силы света и освечивания импульсного излучения с эталоном-копией не должны превышать 0, 8 · 10~2.

Вторичные эталоны единиц силы света и освещенности непрерывного излучения применяют для передачи размеров единиц РЭ методом косвенных измерений, сличением при помощи компаратора (фотометра или светоизмерительной лампы), непосредственным сличением и РСИ сличением при помощи компаратора (светоизмерительной лампы).

Вторичные эталоны единицы светового потока непрерывного излучения применяют для передачи размера единицы РЭ сличением при помощи компаратора (фотометра).

Вторичные эталоны единиц силы света и освечивания импульсного излучения применяют для передачи размеров единиц силы света, освечивания и световой экспозиции — люкс-секунды (лк · с) импульсного излучения РЭ: единиц силы света и освечивания — сличением при помощи компаратора (фотометра и экспозиметра), а единицы световой экспозиции — методом прямых измерений.

Разрядные эталоны. В качестве РЭ единицы силы света малых уровней применяют фотометры в диапазоне измерений (1 · 10~5-1) кд и излучатели (переменные по своему составу группы), каждая из которых состоит из светоизлучающих диодов с длиной волны излучения, различающейся в пределах ±10 нм, при полуширине спектрального диапазона (20-40) нм, или из трех светоизмерительных ламп со светофильтрами, имитирующих спектр излучения СИД, со значениями силы света от 2 · 10~4 до 3 10~3 кд.

В качестве РЭ единицы силы света и освещенности непрерывного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из трех светоизмерительных ламп типа СИС (переменных по своему составу групп) с номинальными значениями силы света (35±4) и (100±10) кд, при цветовой температуре (2360±25) К, (500±50) кд, при цветовой температуре (2800±25) К и (100±10) и (lOOOdblOO) кд, при цветовой температуре (2860±25) К и (или) не менее трех фотометров в диапазоне измерений (1-1000) лк, люксметров в диапазоне измерений (2-500) лк, фотометров для солнечного излучения в диапазоне измерений (1 · 103-2 · 105) лк, компаратора (фотометра или осветителя), оптического стенда, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля.

В качестве РЭ единицы светового потока непрерывного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из трех светоизмерительных ламп типа СИП (переменных по своему составу групп) с номинальными значениями светового потока (10±1), (50±5), (150±20) лм, при цветовой температуре (2360±25) К и (500±50), (1500±150) и (3500±400) лм, при цветовой температуре (2800±25) К, компаратора (фотометра), системы регистрации.

В качестве РЭ единицы световой экспозиции импульсного излучения применяют экспозиметры в диапазоне измерений (0, 1-1000) лк-с.

В качестве РЭ единицы максимального значения силы света и освечивания импульсного излучения применяют комплексы, каждый из которых состоит из трех светоизмерительных ламп типа СИС с системой формирования импульса (переменных по своему составу групп) с максимальными значениями силы света (35±4) и (100±10) кд, при цветовой температуре (2360±25) К, (500±50) и (lOOOdblOO) кд, при цветовой температуре (2800±25) К, (100±10) кд, при цветовой температуре (2860±25) К, освечивания — от 0, 1 до 1000 кд-с, трех газоразрядных импульсных источников (переменных по своему составу групп) с максимальными значениями силы света от 1 · 105 до 3 · 106 кд, освечивания — от 1 до 1000 кд-с, компаратора (фотометра и экспозиметра), оптического стенда, системы питания, стабилизации, регистрации и контроля. Пределы допускаемых относительных погрешностей РЭ составляют от 1-2 · 10~2 до 10 · 10~2.

Разрядные эталоны применяют для поверки РСИ силы света, освещенности, светового потока и яркости непрерывного излучения методами прямых и косвенных измерений, сличением при помощи компаратора (фотометра и осветителя) и для поверки РСИ максимального значения силы света, освечивания, освещенности и световой экспозиции импульсного излучения: силы света и освечивания — сличением при помощи компаратора (фотометра и экспозиметра), освещенности и световой экспозиции — методом прямых измерений и сличением при помощи компаратора (экспозиметра).

Рабочие средства измерений. В качестве РСИ силы света, освещенности, светового потока и яркости непрерывного излучения применяют излучатели, фотометры и ФГ с измерителями тока, фотометры, люксметры, светоизмерительные лампы типа СИС, измерительные лампы, яркомеры, фотометры для естественного освещения, светоизмерительные лампы типа СИП и разрядные измерительные лампы.

В качестве РСИ максимального значения силы света, освечивания, освещенности и световой экспозиции импульсного излучения применяют светоизмерительные лампы типа СИС с системой формирования импульса, импульсные фотометры и экспозиметры и газоразрядные импульсные источники.

Диапазон измерений излучателей составляет (1 · 10~5—1) кд.

Диапазоны измерений фотометров и ФГ с измерителями тока составляют (1 · 10~5-1) кд, фотометров — (1 · 103-1 · 109) кд, фотометров для естественного освещения — (5 · 10 г~2 105) лк, люксметров — (1 · 10 2-2 · 105) лк и (1-1 · 105) лк и яркомеров — (1 · Ю" 1-! · 1010) кд · м2.

Номинальные значения силы света светоизмерительных ламп типа СИС составляют от 1 до 1500 кд, измерительных ламп — от 1 до 5000 кд.

Номинальные значения светового потока разрядных измерительных ламп составляют от 1 · 102 до 5 · 104 лм, светоизмерительных ламп типа СИП — от 10 до 3500 лм.

Максимальные значения силы света светоизмерительных ламп типа СИС с системой формирования импульса составляют от 1 до 1500 кд, значения освечивания — от 0, 1 до 1500 кд · с.

Диапазоны измерений импульсных фотометров и экспозиметров составляют (1 · 10-3-2 · 104) лк и (1 ■ 10-2-1 · 104) лк с.

Максимальные значения силы света газоразрядных импульсных источников составляют от 1 104 до 1 · 107 кд, значения освечивания — от 1 до 1 · 104 кд.

Пределы допускаемых относительных погрешностей РСИ составляют от 2 до 25 процентов.

Ранее описан разработанный во ВНИИОФИ ряд ВМЧТ различной конструкции. Широкоапертурные МЧТ позволяют использовать их в качестве эталонных источников лучистого потока при достаточно больших телесных углах. Кроме того, разработан ряд новых прецизионных способов определения параметров излучения таких моделей.

Таким образом, были подготовлены и определены условия для разработки независимого метода воспроизведения размера единицы светового потока — люмена, позволяющего сравнивать световые потоки абсолютного источника —

ЧТ и эталонной лампы. При этом сферический интегратор используется в качестве компаратора.

На рис. 11. 2 представлена упрощенная схема воспроизведения люмена на базе ВМЧТ и ИС. Схема содержит широкоапертурную ВМЧТ с апертурной диафрагмой площадью , расположенной на расстоянии / от входной диафрагмы сферы площадью А_сф, Φ Γ с экраном внутри сферы.

Рис. 11. 2. Схема воспроизведения люмена

Задача определения светового потока , создаваемого ВМЧТ, и его сравнение со световым потоком фотометрической лампы решается с помощью этой схемы.

Реализация предлагаемого метода возможна только благодаря новым разработкам в области создания широкоапертурных ВМЧТ. Результаты расчетов световых потоков таких ВМЧТ в зависимости от апертур излучателя и сферического интегратора при заданном расстоянии I представлены на рис. 11. 3 для диапазона температур полостей от 2500 до 3200 К.

Оптимизация конструкции графитовой ВМЧТ, при температуре 2800 К, с радиусом выходной апертуры, равным 7 мм, и расстоянием до входной апертуры ИС, …… = 300 мм, определяет следующие размеры полости ВМЧТ: длина — 320 мм, радиус — 38 мм, радиус выходной диафрагмы 16 мм. Такие размеры ВМЧТ обеспечивают значение не менее чем 0, 9995. Это означает, что поток излучения определяется только дном полости и не более, чем одной третью поверхности, прилегающей ко дну стенок полости. По оценкам электрическая мощность, потребляемая такой ВМЧТ, не превысит 50 кВт.

В табл. 11. 5 представлены результаты расчета внутреннего радиуса поверхности ВМЧТ и радиуса его выходной диафрагмы для разных радиусов входной диафрагмы сферы , но при фиксированном расстоянии I = 300 мм между апертурной Лвв и выходной Qbb диафрагмами ВМЧТ при радиусе апертуры Авв = 7 мм.

Световой поток , распространяющийся внутри сферы,

Рис. 11. 3. Световой поток черного тела в зависимости от его температуры при различных радиусах входной диафрагмы сферы (1 — Дсф = 15 см, 2 — Лсф = 20 мм, 3 — Дсф = 25 мм) и фиксированных параметрах: радиус Авв = 7 мм и I = 300 мм

где — освещенность, создаваемая ВМЧТ в плоскости входной диафрагмы сферы Асф, расположенной на расстоянии от апертуры , и равная

где — яркость ВМЧТ в плоскости апертуры ,

где — максимальная спектральная световая эффективность; — относительное спектральное распределение яркости ВМЧТ; Τ — температура ВМЧТ; — длина волны; — относительная спектральная световая эффективность.

Таблица 11. 5. Результаты расчетов радиусов Явв и Qbb

Дсф, ММ	Qbb, mm	Двв, мм
	14, 3	37, 8
	16, 0	45, 0
	17, 0	49, 0
	17, 7	52, 0

Таким образом

С учетом закона Планка получаем следующее выражение:

где , — постоянные излучения.

В реальных условиях формула воспроизведения люмена принимает вид

(11. 3)

Где — эффективная излучательная способность ВМЧТ; , — дифракционные потери на соответствующих диафрагмах.

Все линейные измерения и измерения температуры ВМЧТ выполняются независимыми экспериментальными методами. Эффективная излучательная способность рассчитывается методом Монте-Карло. Дифракционные потери определяют с помощью таблиц дифракционных потерь.

Оценка погрешности воспроизведения люмена была выполнена на основе литературных источников, опыта экспериментальной работы и в соответствии с формулой (11. 3). Составляющие погрешности приведены в табл. 11. 6 для одного стандартного отклонения. Суммарная оценка проведена с учетом доверительной вероятности 0, 95 и составляет 0, 1 · 10~2.

Таблица 11. 6. Составляющие погрешности воспроизведения люмена

Составляющая погрешности	Значение, %
-4вв	0, 03
Лсф	0, 03
	0, 05
	0, 01
KfB	0, 03
	0, 03
с2/Т	0, 02
/	0, 02
Суммарная погрешность 0, 1

После того как определен поток , входящий в сферу при определенном телесном угле, следует этап его сличения с полным световым потоком эталонной фотометрической лампы при телесном угле 4 .

Если допустить, что покрытие сферы пространственно однородно и неселективно, a OCX ФГ идеально соответствует относительной спектральной световой эффективности, формула сравнения двух потоков примет вид

где — сигнал ФГ в процессе работы лампы; — сигнал ФГ в процессе работы ВМЧТ.

В реальном инструментальном воплощении покрытие сферы будет селективно и пространственно неоднородно. В этом случае формула сравнения двух потоков примет вид [4 в]:

Где

а , — сферические координаты; F_OTH — относительное спектральное распределение соответствующего потока; — OCX ФГ.

Определение поправочного коэффициента является сложной экспериментальной и расчетной задачей. Для ее решения потребовалось разработать новые методы определения спектральной и пространственной характеристик внутреннего покрытия сферы и осуществить их инструментальное воплощение, а также иметь возможность измерений пространственного и спектрального распределения излучения лампы и ВМЧТ.

Предварительная оценка суммарной погрешности калибровки эталонных ламп светового потока, т. е. погрешность передачи размера единицы, была выполнена с учетом следующего: данных о пространственном распределении светового потока светоизмерительных ламп типа СИП 107-500, полученных на гониофотометре Австралийской национальной лаборатории (CSIRO) во время совместных сличений в области фотометрии; соблюдения закона Ламберта для пространственных характеристик излучения ВМЧТ; того, что различие температуры распределения светоизмерительной лампы и температуры ВМЧТ не превышает 5 К в диапазоне температур 2800-2850 К, что обеспечивает погрешность коррекции под относительную спектральную световую эффективность не более чем 0, 0005; технологических возможностей покрытия внутренней поверхности сферы BaSO4· Составляющие погрешности приведены в табл. 11. 7.

Таким образом, общая схема построения информационно-измерительного комплекса — Государственного Первичного эталона единицы светового потока — люмена представляет собой новый вариант воспроизведения размера единицы по принципу внешнего источника, в качестве которого используется ВМЧТ, параметры которой могут быть точно измерены и рассчитаны. Основными блоками такого эталона являются ВМЧТ и ИС.

Таблица 11. 7. Составляющие погрешности калибровки эталонных ламп светового потока

Составляющая погрешности -	Значение, χ 10 2
трВВ г и	0, 1
■ ламп	0, 02
	0, 02
	0, 2
Суммарная погрешность 0, 25 · 10~2

При этом необходимо подчеркнуть и важность построения прецизионных устройств обеспечения функционирования основных блоков, и определения их метрологических характеристик.

⇐ Предыдущая 34 35 36 37 383940 41 42 43 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: