Фотометрическое устройство

 

ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шага и приемники излучения, о тличающееся тем, что, с целью повьшзения точности измерений , в фотометрический шаг герметично введены три световода, соединенных с приемниками, при этом входной торец первого световода расположен вблизи стенки шара и обращен к стенке, входной торец второго расположен вблизи источника излучения и обращен к нему, причем апертура этого световода не больше поперечного сечения источника, а входной торец третьего световода расположен вблизи стенки шара и обращен к источнику. ел 4: СП 4 О

ÄÄSU ÄÄ 54546

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСА БЛИН 4(50 С 01 J 1/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

И ABTGPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3616576/24-25 (22) 08.07.83 (46) 07.05.85. Бюл. В 17 (72) Г.Ш. Лившиц, Б.С. Маусумбаев, Я.И. Токарь и.A.Ë. Патлах (71) Усть- Каменогорский строительнодорожный институт (53) 535.24(088.8) (56) 1. Физический энциклопедический словарь. М., "Советская энциклопедия, 1966, т. 5, с. 345.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 494624, кл. G 01 J 1/02, 1973. (54)(57) ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ .УСТРОЙСТВО, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шага и приемники излучения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в фотометрический шаг герметично введены три световода, соединенных с приемниками, при этом входной торец первого световода расположен вблизи стенки шара и обращен к стенке, входной торец второго расположен вблизи источника излучения и обращен к нему, причем апертура этого световода не больше поперечного сечения источника, а входной торец третьего световода расположен вблизи стенки шара и обращен к источнику.

1154546

Уэф о

У.эф (1)

30

Изобретение относится к устройствам для измерения светотехнических величин, например поглощения света в жидких или газообразных поглощающих средах °

Известно устройство 11 для измерения показателя поглощения,выполненное в виде заполненного измеряемой средой фотометрического шара.

Благодаря многократному отражению света от стенок шара при высоком значении альбедо у, при диффузном отражении от стенок шара увеличивается путь луча в среде, а главное освещенность стенок шара связана с ослаблением луча, происходящим лишь за счет чистого или "истинного" поглощения, ибо рассеянные потоки вновь попадают на стенки. При этом освещенность шара Е связана с освещенностью Е0, первоначально созданной прямым источником, соотношением

Однако стенки шара нестабильны и со временем их альбедо меняется.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотометрическое устройство, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шара и приемники излучения. В шар вводятся светопоглощающий элемент и светоотражающая заслонка. По отношению Е/Е, можно судить насколько изменилось р, и, перемещая заслонку, менять y,, восстанавливая необходимое значение этой величины. 4Q

Измеряя в дальнейшем величину E/F,, при заполнении шара исследуемым веществом можно вычислить коэффициент его поглощения либо на основе теории, либо предварительно 45 прокалибровав прибор, так как измеряемая величина E/Е, однозначно связана с коэффициентом поглощения. (2).

Однако восстановление заданной величины у, перемещением заслон- 50 ки не может быть выполнено во время хода эксперимента, т.е. когда исследуемым веществом заполняют шар.

Действительно, в этом случае величина E/E, уменьшается из-за оседания 55 вещества на стенках камеры и поглощения излучения в веществе, заполнившем шар. Движение же заслонки

2 должно осуществляться .лишь с целью компенсации изменения отражательной способности шара. При исследовании большого класса поглощающих веществ на стенки шара после его заполнения немедленно начинает отлагаться осадок, а если вещество агрессивно, то отражательная способность шара меняется вследствие химических реакций. Таким образом, измеренная величина Е/Е не позволяет определить искомое значение коэффициента поглощения и действительное значение у, . Даже если процесс оседания происходит медленно, результаты содержат неопределенные ошибки.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в фотометрическое устройство, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шара и приемники излучения, в фотометрический шар герметично введены три световода, соединенных с приемниками, при этом входной торец первого световода расположен . вблизи стенки шара и обращЕн к стенке, входной торец второго расположен вблизи источника излучения и обращен к нему, причем апертура этого световода не больше поперечного сечения источника, а входной торец третьего световода расположен вблизи стенки шара и обращен к источнику.

Измерение параметров устройства производят при незаполненном веществом шаре. После его заполнения определяют отношение си нала от первого световода ко второму и от второго к третьему. По полученному отношению судят как об. альбедо шара, так и о коэффициенте поглощения исследуемого вещества.

На чертеже изображена схема устройства.

В фотометрический шар I стенки которого представляют диффузный рассеиватель с высоким альбедо, помещен в его центре источник 2 света с баллоном иэ молочно-матового диффузно рассеивающего материала, линейный размер которого много меньше радиуса шара Ro . Внутрь шара введены три световода 3-5. Входной торец световода 3 расположен

546

3 р

С

1р

Э„

У=С 3 г (3) 3 1154 вблизи .стенки шара и обращен к ней, входной торец световода 5 также расположен вблизи стенки шара, но обращен к источнику, а входной торец световода 4, обращенный также к источнику света, расположен вблизи последнего.

Радиусы световодов должны быть много меньше Р,, но много больше радиуса исследуемых частиц (если, 10 например,шар заполнен аэрозолем или гидроэолем). Апертура светово. дов должна удовлетворять .следующему условию: площадка источника, охватываемая опертурой световода 4, 15 должна быть не больше поперечной площади молочно-матового баллона источника. Входные торцы световодов 3 - 5 подведены к соответствующим приемникам излучения 6 — 8. Све 20 товоды пропущены сквозь стенки шара при условии соблюдения герметичности.

Стенки шара покрываются веществом с заранее известным значением 2S альбедо 1, которое равно отношению потока, диффузно отраженного от данной площадки, к потоку, падающему на нее. Включив источник 2 при пустом (т.е. не заполненном

30 поглощающим веществом) шаре, снимают три отсчета интенсивностей, воспринимаемых световодами 3 — 5 и равных соответственно 3„, 3 и 3з . Величина 3 пропорциональна потоку све1 35 та отраженного от некоторой площадки шара Ф„, величина 3 — потоку Ф<, падающему на нее, à 3> — потоку Ф, идущему непосредственно от источника света. Таким образом, ф13. ф К . ф, гдеКкк3= 33i коэффициенты пропорциональности.

По определению, альбедо Ф„ отсюда К 3 31 9 ф ъ

3 Э

Это позволяет найти коэффициент С

1 равныи 2 Зная С, можно, в

С =3Р

50 дальнейшем, по отсчетам 3 и 3 най2 ти значения альбедо стенок шара р.

С другой стороны, заранее зная альбедо Р, можно найти и соответствующий коэффициент для опреде- зз ления величины Е/E, которая характеризует усиление светового потока благодаря многократному отражению от стенок шара. Действительно, отсчет 32 пропорционален освещенности на стенках шара Е, а 3 — величине Е, т.е. освещенности от . источника прямого излучения. Таким- образом, имеем Е= К 3; Е,= k" 3 где М и К коэффициенты пропорциональности.

Отсюца E X 32, 3

Е, к" 3з 3з — — =С . (2) где р — известная, заранее заданная величина, 3> и 3 — находят путем измерений.

Зная величину С, можно в дальнейшем по отсчетам 32 и 3 определить отношение Е/ Е, необходимое для того, чтобы судить о поглощающих характеристиках исследуемого вещества.

После калибровки прибора и нахождения коэффициентов C. и С шар заполняется исследуемым веществом и производится одновременная регистрация света, поступающего на приемники от всех трех световодов, т.е. измеряются сигналы 3, 3 и 3э . Для определения .величины р необходимо найти отношение Л„(3,а для определения E / Е, — .отношение 3> /3

Предлагаемое устройство позволяет. находить указанные отношения несмотря на то, что в процессе измерений на торцы световодов и баллон источника света происходит осаждение части исследуемого вещества. Действительно, осаждение eFo на баллон приводит к одинаковому ослаблению как прямого, так и многократно отраженного света, что не сказывается на величине отношения потоков. Ослабление же на торцах световодов также одинаково, ибо они идентичны по конструкции и диффузные потоки заполняют полностью их апертуру. Таким образом, и в данном случае величина отношений 3„ /3 и 3 /3 не изменяется при изменении прозрачности торцов.

Итак, зная заранее С и С и произведя отсчеты 3„, 3 и 3, находим альбедо и отношение освещенностей полным

1154546 оо

Учитывая, что йМ где

М

15 имеем о о

В,= — е (141

55 потоком E к освещенности стенок шара только прямым источником

Е

= C, — (e) о ъ

Последнее соотношение позволяет определить коэффициент поглощения вещества К, который связан с Г/Е формулои

E ye (g j

Eo " 2рС

Для получения формулы (5) выделим малый элемент площадки 35 шара и рассмотрим, какова его яркость и освещенность от прямого источника ь затем найдем эти величины от потока, отраженного от стенок шара отдельно в первом порядке, во втором и т.д.

Пусть Š— освещенность d5 только прямым источником излучения при

25 отсутствии в шаре поглощающего вещества. Тогда при. наличии последнего эта освещенность в соответствии с законом Бугера-Ламберта станет равной Е е, где k — коэффициент поглощения (рассчитанный на единицу пути), й, — радиус шара. Такова освещенность любой площадки стенки шара, и если ее альбедо равно р, то яркость 8 в нулевом порядке, ÇS т.е. в результате освещения только прямым источником, определяется из формулы

Диффузно отраженный от всех элементов поверхности шара свет, имеющий яркость Ь, частично поступает вновь на элемент dS . Для того чтобы вычислить эту освещенность, выделяют произвольный элемент на поверхности dS,, расположенный на расстоянии R от dS и видимый под малым углом ды . Пусть между диаметром 2 Йо, проведенным от dS через источник и R, угол равен ч . Тогда телесный угол Ыь> равен sinvdvef4 где dd, — азимутальный угол в сферической системе координат (полярная ось направлена вдоль диаметра, нормально d9 начало координат в dS ) Освещенность площадки dS от площадки dS, может быть выражена формулой

-KR -KR

dE„=S е Йосозч=е и sinveosvdvdd. (&) Освещенность всей поверхностью шара площадки dS равна интегралу

«7

2li

-KR

Е„= Ь,ginvcosvofvdoLe . (9) doL231 и R2R cosv, а Ьосооз1, я

Т

2Rо K casv

f =276 е зМчсозч4Ы, (ю} о

Интеграл, стоящий в правой части (10), равен

7 21 о

-2Я Kcosч (2R +1 е Sinvcos v dv в я к

0 (111

Обозначив эту величину через

2 о

1-2Е (2RoK+<)

И ке с запишем согласно (10) выражение для освещенности элемента 15 в первом порядке в виде а2НВ C ° . (121

Таким образом, освещенность элемента прямым источником и одновременно отраженным излучением равна

-КЯ сооч о l

Е е +2ТВесо . (1È

Точно также, соответственно формуле (12), будут в первом порядке освещены все остальные элементы шара.

И их яркость в первом порядке может быть найдена по формуле

Освещая площадку dS, элементы шара, имеющие в первом порядке яркость 8„ „ создают освещенность второго порядка Е2, расчет которой

1 154546 в котором

Составитель Ю..Гринева

Редактор П. Коссей Техред С,йовжий

Корректор М. Пожо

Заказ 2703/35 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 аналогичный расчету освещенности приводит к выражению

E =2ЯЬ„С = B,2рС 2i!С . (1r)

1 0 О

Отсюда для яркости площадки д5 во втором порядке имеем

B<= S (2р с) . (16)

Более высокие порядки могут быть рассчитаны аналогично

Окончательно, яркость площадкиd5 равная сумме всех порядков, начиная с нулевого,. выражается формулой

2 3

15 6=6, B 2рС +Ь, (2рС,) +5 (йрСв) + -,(Щ

Сумма членов этого бесконечного ряда (у (1) равна о 20

Ь= о .. (4в1

11-РС, Переходя к освещенностям и имея в виду формулу (7) и фотометрическое соотношение Ь . Р,где B — полЕ ная яркость, Š— полная освещенность, находим

-й К о (19\

1-2р С, -2й,к

1-2е (2я,к+ ) С- (йо) Р к

Ф что совпадает с формулами (5) и (6) .

Изобретение позволяет производить точные исследования коэффициентов поглощения веществ в условиях непрерывного и достаточно быстрого оседания вещества на поверхность шара, лампы и световодов. Аналогичные исследования, проводимые известными устройствами, содержат часто значительные и всегда неопределенные ошибки, и получаемые результаты при этом ненадежны.

В

Изобретение позволяет, например, осуществлять исследования достаточно сильно поглощающих веществ, производить эксперимент длительное время, например при необходимости изучать меняющуюся структуру аэрозоля, при некоторых фотохимических реакциях и т.д.