Способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГО ФОТОМЕТРА, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света - канделы, включающий калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходного сигнала U приемника в зависимости от мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра фотометра путем последовательного вывода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометров , последующее совмещение по-, лостного приемника с кррригируюцим фильтром и определение коэффициента преобразования первичного фотометра, отличающийся тем, что,. с целью повышения точности -определения коэффициента преобразования до уровня, обеспечивающего возможность использования фотометра в составе Государственного первичного эталона единицы силы света - кандалы, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме, дпя чего нагрев полостного приемника; производят потоком от абсолютного излучателя в виде нагреваемой модели черного тела, при этом температуру модели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходного сигнала указанного полостного приемника и спектрометра, а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра осуществляО ) ют путем последовательного -вывода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным отверстием имита, тора геометрических параметров полостного приемншса, при этом в качестве источшпса излучения используют поверяемое средство измерений, СП а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по формуле 4ii |« где А - коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра; С - поправочный коэффициент; -6 - постоянная Стефана-Больцмана; Тр„ - максимальное по спектру значение спектрального

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ . б в

Ьаза, Т+ К где

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3710831/24-25 (22} 27.03.84 (46) 30.04.85. Бюл. Ф 16 (72) В.И. Саприцкий В. Я. Ковальский, В.В. Мальцев и P.È. Столяревская (53) 621. 376 (088. 8) (56) 1. Тнходеев П.M. Новый государственный световой эталон СССР, М.-Л., СССР, 1949.

2. Dr. Е. Vogel "Die Kntvicklund

vonelektriseh-Ralibrierbaren Empfangeru Zus Messung dегоptischen

Strahlungs leistung" DDR, Netrologischer Abhaudlunder, 8auds

НеИ I Jahrpand,1983, с,31-52 (прототип). (54)(57} СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГО

ФОТОМЕТРА, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света - канделы, включающий .калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходного сигнала U приемника в зависимости от мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра фотометра путем последовательного вывода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометров, последующее совмещение по» лостного приемника с корригнруюцим фильтром и определение коэффициента преобразования первичного фотометра, отличающийся тем, что,. с целью повышения точности .определения коэффициента преобразования до

„„SU „„1153240 уровня, обеспечивающего возможность использования фотометра в составе

Государственного первичного эталона единицы силы света — канделы, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме, для чего нагрев полостного приемника производят потоком от абсолютного излучателя в виде нагреваемой модели черного тела, при этом температуру модели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходного сигнала укаэанного полостного приемника и спектрометра, а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра осуществляют путем последовательного:вывода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным отверстием имита» тора геометрических параметров полостного приемника, при этом s качестве источйика излучения.иснользуют поверяемое. средство измерений, а коэффициент преобразования $ первичного фотометра определяют по формуле

А — коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра;

С вЂ” поправочный-коэффициент; ,6 — постоянная Стефана-Больциана;

7„, — максимальное по спектру значение спектрального

1153240 коэффициента пропускания корригирующего фильтра;

Т вЂ” температура модели черного тела; э — эффективный коэффициент излучения полости модели черного тела при температуре Т.

Изобретение относится к технической физике в части создания способов определения коэффициента преобразования первичного фотометра, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света— канделы, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, использующих световые измерения.

Известен способ эталонного воспроизведения и передачи единицы силы света — канделы, в котором используют поток излучения от излучателя в виде модели черного тела 35 при температуре затвердевания платины, это излучение фокусируют на пластинку светомерной головки н яркость излучения модели считают равной 600.000 кд/м, который принят 20 в качестве Государственного первичного эталона силы света (13.

Недос та тк ом изв ес тног о способа является невозможность осуществления с его помощью связи шкалы световых величин с энергетической шкалой, что приводит к существенному разбросу (порядка g 0,8 ) в результатах международных сличений, Поэтому принято новое определе- ЗО ние единицы силы света — канделы (кандела представляет собой силу света в данном направлении от источника, испускаемого монохромати12 ческое излучение частоты 540х 10 Гц,у5 энергетическая сила света которого в этом направлении составляет

1/683 в на стерадиан) и национальные метрологические центры проводят работу по созданию эталонов 40 на основе нового определения канделы, Наиболее близким к изобретению является способ определения коэффициента преобразования первичного 45 фотометра, предназначенного для вос2 произвецения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света — канделы, включающий калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходйого сигнала U приемника в зависимости от мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра фотометра путем последовательного вывода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром, последующее совмещение полостного приемника с корригирующим фильтром и определение коэффициента преобразования первичного фотометра.

Нагрев полостного приемника фотомет-. ра осуществляют с помощью электрической обмотки замещения, определение спектрального коэффициента пропускания фильтра ведут без учета реальных геометрических параметров полостного приемника и поверяемого срества измерений, а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по отношению выходного сигнала приемника к поступающей в него мощности от электрической обмотки замещения с учетом спектрального коэффициента пропускания фильтра 21 °

Недостатком данного способа является низкая для уровня эталонных измерений точность воспроизведения и передачи размера- единицы силы света — кандела поверяемому средству измерений (суммарная погрешность способа составляет + 0,6X), обусловленная следующими факторами: в процессе операции калибровки полостного приемника фотометра использование метода электрического замещения вносит значительную составляющую в систематическую погрешность калибровки фотометра за счет неиз53240 4 полостного приемника с корригирующим фильтром 1« определение коэффицие«:та преобразования первичного фотометра, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме, для чего нагрев полостного приемника производят потоком от абсолютного излучателя в виде нагреваемой модели черного

10 тела (МЧТ), при этом температуру модели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходных сигналов указанного полостного приемника и спектрометра, а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра осуществляют путем последовательного вывода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным отверстием имитатора геометрических параметров полостного приемника, при этом в качестве источника излучения используют поверяемое средство измерений, а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по формуле

3 11 бежной неэквивалентности замещения электрической мощности реальному радиационному нагреву. Эта неэквивалентность обусловлена, прежде всего, потерями тепла в системе крепления нагревательных элементов, погрешностью измерения электрической мощности замещения погрешностью, обусловленной термическим сопротивлением черного покрытия приемной полости приемника фотометра, наличием краевого эффекта в результате распределения температуры по поверхности приемника и рядом других факторов.

При этом за счет определения спектрального коэффициента пропускания корригнрующего фильтра фотометг.а без учета реальных геометрических параметров полостного приемника фотометра и поверяемого средства измерений также вносится существенный вклад в общую систематическую погрешность способа, так как в процессе воспроизведения и передачи размера единицы геометрические параметры пучка, проходящего через фильтр, и того пучка, при котором фильтр калибруется, неидентичны, IIpH этОМ истОчник, с пОмОщью кОтОрого фильтр калибруется, имеет свои Ç0 полярнзационные параметры, отличные от параметров поверяемого средства измерений.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффи.циента нреобразования до уровня, обеспечивающего возможность использования фотометра в составе

Государственного первичного эталона единицы силы света — канделы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента преобразования первичного фотоиетра, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света — канделы, включающему калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходного сигнала. U приемника в зависимости от мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра фотометра путем последовательного вывода и ввода фильтра в поток от источника.излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром, последующее совмещение

40 где Š— эффективный коэффициент излучения полости ИЧТпри температуре Т, С„, — максимальное по спектру

35 значение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра;

А — коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра;

С вЂ” поправочный коэффициент;

6 — постоянная Стефана-Больцмана;

Т вЂ” температура ИЧТ.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема-осуществления способа определения коэффициента преобразования первичного фотометра; на фиг. 2 — первичный фотометр, продоль50 нь«й РазРез °

Установка для реализации способа определения коэффициента преобразования первичного фотометра содержит абсолютный излучатель в виде

55 МЧТ 1, которая расположена в системе 2 вакуумных камер и нагрева с помощью автоматического регулятора 3.

На оптической оси МЧТ 1 располагаI i 53240

Е U(T} ТФ

U(TT,}

-1 (1} 55 где С1 - константа. ют в системе ? вакуумных камер калибруемый полостной приемник (ПП) 4 фотометра. Между МЧТ I и ПП 4 располагают апертурную диафрагму 5 МЧТ, подвижное зеркало 6, оптически свя- 5 занное с зеркальным конденсором 7.

Вне вакуумного объема системы 2 устанавливают связанные яежду собой с помощью зеркального конденсора 7 спектрометр 8, поверяемое средство 9 ,измерений, корригирующнй фильтр 10, имитатор 11 геометрических параметров полостного приемника 4 с набором входных диафрагм 12 и фотометрический шар )3.

Первичный фотометр содержит ПП 4 фотометра, размещенный в корпусе 14, но входном отверстии которого расположен фильтр 10 при этом ПП 4 включает приемный конус 15 и набор входных диафрагм 16.

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе определения коэффициен25 та преобразованияперничного фотометра одними из основных операций являются калибровкаПП 4 фотометраи определение спектральногокоэффициента пропускания корригирующегофильтра 10, после чего совмещают входную апертуру ПП с корригирующим фильтром.

Операцию калибровки ПП 4 фотометра осуществляют радиационным путем в системе 2 вакуумных камер. Для этого производят нагрев ПП 4 пото- 35 ком от абсолютного излучателя —

ИЧТ I. Для этого МЧТ нагревают, вы— водя на температурный режим последовательно при двух температурах

Т и Т,, нрн этом измеряют выходные сигналы М ПП 4 и сигналы на выходе спектрометра 8 для разных длин воли М, . Температуру абсолютного излучателя определяют в результате решения избыточной системы линейных алгебраических уравнений для отношений интегральных яркостей Z и х (1; ) в ко орых коэффициентами служат сигналы:

В процессе описанного опре ;"íåíèÿ температуры абсолютного излучателя одновременно осуществляют калибровку ПП 4, измеряя его выходные сигналы при разных значениях мощности падающего на приемник излучения, соответствующих различным температурам Т и Т„ нагрева МЧТ, что позволяет за счет увеличения информации при калибровке уменьшить случайную составляющую суммарной погрешности. Далее осущестнляют определение спектрального коэффициента пропускания (его максимальное значение С ) корригирующего фильтра 10 путем последовательного вывода и ввода фильтра 10 в поток от источника излучения, в качестве которого используют поверяемое средство 9 измерений, и регистрации соответствующих сигналов спектрометром 8 и определения их отношений. При этом фильтр 10 устанавливают перед входным отверстием имитатора 11 геометрических параметров ПП 4. Имитатор 11 содержит набор входных диафрагм 12, точно понторяющих геометрию входных диафрагм 16 ПП 4. При этом учитывается зависимость абсолютного значения спектрального коэффициента пропускания фильтра от состояния поляризации пучка света, от распределения яркости по сечению пучка и ряда других факторов, связанных е особенностями поверяемого средства 9 измерений. Таким образом, сочетание имитатора 11 с поверяемым средством 9 измерений в процессе определения спектрального коэффициента пропускания фильтра 10 позволяет выделить для измерения коэффициента пропускаиия пучок с теми же свойствами, что н пучок при передаче размера единицы, что направлено на уменьшение систематической составляющей суммарной погрешности определения коэффициента преобразования первичного фотометра. Затем с учетом указанных и определенных значений:

U — выходного сигнала ПП 4 при значении температуры Т МЧТ 1 7 — мак"

В1 симального значения спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра 10, определяют искомый коэффициент преобразования S первичного фотометра по зависимости

1 1 53240 где E эффективный коэффициент излучения полости МЧТ при температуре Т, являющийся номинальной характеристикой МЧТ; 5 постоянная Стефана-Больцмана; коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра (в этапоне), «, 2

® 2! при этом

1м

Кч Ке

С (1 — Kg) К„- поправка, учитывающая где

r неидентичность функций относительно спектрального

30 коэффициента преобразования первичного фотометра и спектральной световой эффек тив нос ти излуч ения для дневного зрения (значение Кч находится в преде-3s лах 0,996 — 0,998„, нижний и верхний пределы обусловлены практическим диапазоном цветовых температур (2300 — 2850 К) поверие- 40 мых средств измерений, при выходе из этого диапазона температур поверяемое средство выходит из гра-ниц исследуемого видимого 45 диапазона спектра излучения); поправка, учитывающая reoметрические размеры тела накала поверяемого средст- ЬО ва измерений, находится в диапазоне 0,92-0,94, пределы которого обусловлены геометрией реальных тел накала поверяемых 55 средств измерений, (выход нижнего предела показывает, что геометрия тела

К в расстояние от апертурной диафрагмы до входной диафрагмы системы ПП; расстояние от плоского

15 фильтра 10 первичного фотометра до рабочей плоскости тела накала поверяемого средства 9 измерений; площадь апертурной днафраг- О мы 5. поправочный коэффициент, определяемый по формуле накала не обеспеч ии зот ус" ловие er o точечностп, т. е. такое тело пак 3JIQ не пригодно для п пользования условий заданной эталонной точности,. выход эа верхний предел ограничен реальной технологией изготовления тела накала),;

Предлагаемый способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра позволяет по сравнен -. нию с прототипом эа счет осуществления операции калибровки полостного приемника повысить точность определения коэффициента преобразования, так как такая операция представляет собой прямой метод калибровки полостного приемника фотометра по входному оптическому сигналу в отличие от косвенного метода калибровки в прототипе с помощью подачи в ПП электрической мощности, при этом исключается ряд составляющих систематической погрешности определения коэффициента преобразования первичного фотометра за счет исключения влияния термического сопротивления приемной полости ПП, исключения неидеитичности путей теплопередачи при радиационном и электрическом нагреве, за счет отсутствия конвективных потерь в вакууме повышается стабильность и чувствительность ПП в процессе его калибровки. Одновременно осуществление операции определения спектрального коэффициента пропускания корри-.

1153240

10 гирующего фильтра фотометра в присутствии имитатора геометрических параметров ПП с помощью источника излучения — поверяемого средства измерений позволяет полностью из- 5 мерять пропускание фильтра в тех же условиях, в которых фотометр используется в процессе воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы — канделы.

При этом точность определения коэффициента преобразования первичного фотометра повышается за счет исключения составляющих систематической погрешности, отсутствия отличий поля- 5 ризации излучения от реального поверяемого срества, идентичности распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка при измерении.пропускания фильтра и при пере- И даче с помощью фотометра размера единицы силы света поверяемому средству, а также за счет сохранения идентичности угловых размеров пучка, проходящего через фильтр, и идентич- 5 ности спектрального состава излучения (поскольку источник излучения поверяемое средство измерений один и тот же при измерении пропускания и при передаче размера единицы). 30

Пример. При реализации способа используют следующую аппаратуру: в качестве МЧТ 1 используют МЧТ, выполненную в вице двух коаксиальных трубок из карбида ниобия длиной 35

550 мм с внутренним диаметром 19 мм и апертурной диафрагмой 5 диаметром

3 мм; в качестве системы 2 вакуумных камер используют камеру, объемом

3 м с системой вакуумной откачки 40 типа АВП-0,5, обеспечивающей вакуум порядка 5 10 Па; автоматический регулятор 3 нагрева МЧТ выполнен иа базе теристорного регулятора типа PHTT-330, обеспечивает нагрев 45

МЧТ в диапазоне !500-3000 К; в качестве полостного приемника 4 используют приемник типа ПП-8 с входной апертурой б мм; подвижное зеркало 6 — плоское зеркало 30х30 мм; 5о зеркальный конденсатор 7 состоит из трех плоских зеркал 40х40 мм одного сферического зеркала с фокусным расстоянием 0,5; в качестве спектрометра 8 используют двойной спектро- 55 метр типа НВД-1; корригирующий фильтр 10 представляет собой жидкостной соляной фильтр, помещенный

"л ® Eë® 11 а э

Ч(Л) Е „(Л) сФЛ где Е (й)относительная спектральная характеристика поверяемого средства измерений; относительная спектральная световая эффективность для дневного зрения; относительный спектральный коэффициент пропускач("1в стеклянную кювету, толщиной 10 мм имитатор 11 геометрических параметров изготовлен совместно с полостным приемником типа ПП-8 с сохранением идентичности геометрических размеров входных диафрагм 12 и 1б; в качестве поверяемого средства 9 измерений используют лампу типа СИС1071000; расстояние Ъ от апертурной диафрагмы 5 до входной диафрагмы системы 16 ПП принято 0,35 м; расстояние 1 от плоскости фильтра 10 до рабочей плоскости тела накала поверяемого средства измерений принято 1 м.

В ходе определения коэффициента преобразования первичного фотометра согласно предлагаемому способу осуществлен нагрев МЧТ до температуры

T = 2400 К, при этом выходной сигнал ПП составил U = 70 81 мкВ, затем осуществлен нагрев МЧТ до температуры Т 2500 К, выходной сиг-, нал ПП составил Uq = 83,29 мкВ, истинное значение температуры Т МЧТ определено одновременно с калибровкой ПП иэ упомянутой системы уравнений (2 }.

Определение спектрального коэффициента пропускания фильтра фотометра путем вывода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром выделило значение

Т вЂ” максимального по спектру значения спектрального коэффициента пропускания фильтра, равное

= 0,5495.

Значение К„поправри определено по расчетным таблицам. Табличные значения К получены из выражения

1153240

Фиг. 1

Фи8. 2

ЗНИИПИ Заказ 2498/36 ТиРаж 897 Подшисное

Фнлнал ППП Патент", г. Ужгород, ул.Проектная,4 ния фильтра — функция нормирования максимума Т

Значение К„ для указанных температур Т и Т в таблице практически

2. совпадает (с точностью до четвертого знака) и равно Ко = 0,9962.

Затем подстановкой значений измеренных и определенных указанных параметров в формулу (1) для определения коэффициента S полученны следующие значения: при температуре

МЧТ Т„= 2400 К S = 1,1453.10 В/Kg; при температуре МЧТ Т = 2500 К

S =l,1441 10 В/кя.

Сопоставление полученных числовым значений коэффициента фотометра, полученных согласно предлагаемому спо, собу при различных исходных параметрах измерений, показывает, что случайная составляющая погрешность определения коэффициента преобразования первичного фотометра не превышает значения 0,001. При этом систематическая составляющая погрешности способа составляет 0,025. Значения тех же составляющих погрешности по способупрототипу составляют соответственно

0,002 и 0,055, что не удовлетворяет заданному уровню точности, предъявляемому Государственному эталону единицы силы света — канделы.

Таким образом, полученные в результате использования предлагаемо15 ro способа точностные параметры определения коэффициента преобразования первичного 6отометра делают возможным его использование в составе

Государственного первичного эталона

20 единицы силы света — канделы.