Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр



Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр
Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр
Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр
Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр

 


Владельцы патента RU 2626219:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа оптимизации метрологии оптического излучения. Способ заключается в том, что выделяют часть энергии оптического излучения, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, фотосинтезном, световом, эритемном и квантовом преобразованиях. Измеряют фотоэлектрическую и фотосинтезную эксергии, световой, эритемный и квантовый фотоэффекты. С помощью вычислителя оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени, и вычисляют фотоэлектрическую и фотосинтезную эксергии. Далее записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения этих двух видов, которые индицируют на дисплее устройства. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, экологии, энергетике, медицине и биосфере.

Известен способ оценки физиологического действия излучения на растения методом фотосинтетической активной радиации (ФАР) и фотосинтезного действия на растения (а.с. №124669, БИ №23, 1959). В известном способе выделяют суммарную энергию диапазона длин волн 380-720 нм и по ней судят о различных светофизиологических действиях излучения на растения.

Недостатком известного способа является то, что для его осуществления необходим сложный крупногабаритный прибор с высокой стоимостью для измерения только одной величины, учитывающей фотосинтезную эффективность действия излучения на растения.

Возобновляемые источники энергии, в частности солнечное излучения, не согласуются со вторым началом термодинамики и поэтому определить потенциальную превратимость энергии солнечного излучения в работу или электроэнергию, а также в энергию органического вещества посредством фотосинтеза невозможно на основе энтропийного анализа. В то же время, метрология оптического излучения детерминирована квантовой эквивалентностью фотоэффекта, который пропорционален не количеству поглощенной энергии излучения, а количеству эффективно поглощенных его фотонов. Однако, несмотря на более чем столетний поиск теоретического определения эффективно поглощенных фотонов, эта проблема не решена до настоящего времени и эту величину определяют экспериментально в виде спектральной эффективности соответствующего фотоэффекта (спектр действия).

Известны статистически усредненные спектры действия: фотосинтеза растений и фотоэлектрического эффекта для кремниевых кристаллических фотоэлементов. Спектральная эффективность светового действия принята по ГОСТ 8.014 - 72, эритемного действия и количества падающих фотонов - по М.В. Соколову (М.В. Соколов Прикладная биофотометрия. - М.: Наука, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство определения фотоэлектрической, тепловой и фотобиохимической-фотосинтезной эксергии для трех видов преобразования энергии солнечного излучения, включающий измерение поступающей на растения энергии излучения с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 300-3000 нм и определение суммарной эксергии, предложенные в патенте РФ (RU 2354104, БИ №13, 2009). В данном способе выделяют и измеряют ту часть энергии оптического излучения, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, тепловом и фотосинтезном преобразованиях. При этом оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона. Преобразуют в фототок и усиливают этот сигнал фототока предварительным усилителем, затем проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени и вычисляют фотоэлектрическую, тепловую и фотосинтезную эксергии.

Недостатками известных способа и устройства для его осуществления является то, что отсутствуют возможности измерения световой величины, имеющей важнейшее значение для всех сфер человеческой деятельности, а также исходной оптико-физической величины, энергетической облученности и количества падающих фотонов. Использование в нем в качестве первичного измерительного приемника - кремниевого фотоэлемента не оправдано, так как это принципиально снижает точность измерения по этому способу и усложняет градуировку и поверку прибора. Отсутствие в нем спектрометра позволяет определять измеряемые величины только для спектрального состава солнечного излучения и не позволяет их определять для спектрального состава электрических источников, а также из-за этого снижается точность определения величин и усложняет разработку первичной метрологии этого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства для определения фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, а также световых, оптико-физических, квантовых и эритемных величин для излучения любого спектрального состава, измерение поступающей на облучаемый объект энергии излучения с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 280-3000 нм и определение суммарной эксергии и фотоэффектов.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается оптимизация агротехнологий и снижение техногенной энергоемкости производства сельскохозяйственной продукции, а также определяется устойчивость функционирования естественных экосистем и биосферы в целом путем учета количества падающих фотонов, определения фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии за счет измерения одним прибором исходной оптико-физической величины - энергетической облученности - и мощности эксергии или эффективной облученности для всех фотоэффектов с приемником оптического излучения на основе термоэлемента с постоянной спектральной чувствительностью по падающей энергии. При этом исключается необходимость корригирования измерительного приемника и метрологического согласования его с абсолютно черным телом, из-за чего принципиально повышается точность измерения, упрощается градуировка и поверка прибора, снижается его стоимость и затраты на эксплуатационное обслуживание. Также в энергетике и сельскохозяйственном производстве появляется возможность контролировать условия освещения рабочих мест, а также вести учет количества падающих фотонов и благоприятных доз естественного ультрафиолетового эритемного облучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе оптимизации метрологии оптического излучения, включающем оптимальное определение фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, а также световых, оптико-физических, квантовых и эритемных величин для излучения любого спектрального состава, измерение поступающей на облучаемый объект энергии излучения с учетом длины волны по названным фотоэффектам в диапазоне 280-3000 нм и определение суммарной эксергии и фотоэффектов, выделяют ту часть энергии оптического излучения как для солнечного спектра, так и иных спектральных составов, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, фотосинтезом, световом, эритемном и квантовом преобразованиях, и измеряют фотоэлектрическую, фотосинтезную эксергии, световой, эритемный и квантовый фотоэффекты применительно к этим видам преобразования энергии как солнечного спектра излучения, так и иных спекральных составов, при этом с помощью вычислителя оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени, и вычисляют фотоэлектрическую и фотосинтезную эксергии, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения этих двух видов, которые индицируют на дисплее устройства, и используют в процессе последовательного определения названных двух видов эксергии.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве - универсальном фотометре-эксергометре, содержащем блок приемника оптического излучения с термоэлементом и спектрометром, вычислитель, суммирующий поступление на поверхность земли двух видов эксергии оптического излучения в течение заданного периода времени, вычислитель содержит блок вычислений, последовательно переключаемый на измерение каждого вида фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, светового, эритемного и квантового фотоэффекта, соединенный с блоком функций и дисплеем, при этом блок функций содержит блоки распределения энергии солнечного излучения, спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий, а выходы этих блоков соединены с блоком вычисления фотоэлектрической эксергии, фотосинтезной эксергии, а также светового, эритемного и квантового фотоэффектов, которые своими выходами соединены с дисплеем, а выход блока приемника оптического излучения соединен с входом вычислителя, при этом приемник оптического излучения содержит компенсированной термоэлемент, имеющий спектральную чувствительность, подобную спектральной чувствительности абсолютно черного тела.

Причиной необходимости изобретения предлагаемого способа является переход от энтропийного анализа с 80-х г.г. XX столетия большинства энергетиков мира к эксергетическому методу, как более надежному и менее сложному.

Предлагаемый способ включает измерение оптико-физической величины - энергии излучения в области длин волн 280 - 3000 нм - посредством термоэлемента с постоянной спектральной чувствительностью по падающей энергии; измерение распределения энергии излучении по спектру на основе дифракционной решетки; электронного устройства, содержащего спектральную эффективность действия излучения: светового на глаз человека, фотосинтезного на растения, фотоэлектрического на кристаллический кремниевый фотоэлемент, эритемного и показатель определения количества падающих фотонов. Электронное устройство осуществляет расчет значений эффективных величин по названным спектрам действия и распределению энергии излучения по спектру, а также индикаторное устройство. Выделяют и измеряют ту часть энергии любого спектрального состава, которая потенциально пригодна для осуществления соответствующего фотоэффекта и количества падающих фотонов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства универсального фотометра-эксергометра.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства - универсального фотометра-эксергометра.

Устройство - универсальный фотометр-эксергометр содержит блок приемника оптического излучения 1, состоящий из компенсированного вакуумного термоэлемента 2 с термопарами 3 и корпусом 4, спектрометра 5 с косинусной насадкой 6, линзой 7, дифракционной решеткой 8, фотодиодной линейкой 9, корпусом 10, блока обработки сигнала 11, вычислителя 12, состоящего из входного компенсационного канала 13, входного измерительного канала 14, усилителя 15, блока функций 16, содержащего блоки распределения энергии солнечного излучения, спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий, блока вычислений 17, содержащего блоки вычисления фотоэлектрической эксергии, фотосинтезной эксергии, а также светового, эритемного и квантового фотоэффектов, интегратора фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии 18, дисплея 19, выхода на ПК 20, причем выход блока приемника оптического излучения 1 и блок функций 16 соединены с блоком вычислений 17, а блок вычислений соединен с дисплеем 19.

Блок приемника оптического излучения 1 содержит компенсированный термоэлемент, имеющий спектральную чувствительность, подобную спектральной чувствительности абсолютно черного тела, который исключает необходимость при градуировке прибора согласовывать его с исходной величиной всей фото-оптометрии - свечой.

Работает устройство - универсальный фотометр-эксергометр следующим образом.

Блок приемника 1 располагают в месте измерения оптического излучения. Поступившее излучение через косинусную насадку 6, коррелирующую падающее излучение под косинусную зависимость, падает на измерительную термопару термоэлемента 3, а также измерительную часть спектрометра 5. Напряжение на термоэлементе создает термо-ЭДС, которая подается на вход измерительного канала 14. Для компенсации температуры в корпусе термоэлемента находится вторая термопара 3, изолированная от попадания оптического излучения, напряжение с нее подается на вход компенсационного канала 13. Далее сигналы с измерительного 14 и компенсационного канала 13 попадают на вход усилителя сигнала 15, затем сигнал поступает в блок вычислений 17 и блок измерения оптико-физических величин. Сигнал с измерительной части спектрометра поступает в блок обработки сигнала 11, откуда выходной сигнал поступает на вход блока вычислений 17. В свою очередь сигналы с блоков вычислений фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии снимают интегратором 18 с заданным интервалом времени и записывают полученные значения в памяти интегратора. Результаты вычислений выводятся на дисплей 19 и также поступают на выход 20 для подключения ПК.

Для определения фотоэлектрической, химической фотосинтезной эксергии, светового, эритемного и квантового фотоэффектов для преобразования энергии как солнечного спектрального состава излучения, так и иных спектральных составов в устройство введены функции: распределение энергии солнечного излучения и спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий. Значение каждого вида эксергии в общем случае определяется по выражению

где P(λ)max - значение падающего монохроматического потока для длины волны, соответствующей максимальной спектральной эффективности оптического излучения, ϕ(λ) - спектральная интенсивность источника оптического излучения, K(λ) - относительная спектральная эффективность, λ1, λ2 - граничные значения длин волн измеряемого участка, t1, t2 - время начала и конца поступления оптического излучения, dλ - дифференциал по длине волны, dt - дифференциал по времени.

1. Способ оптимизации метрологии оптического излучения, включающий оптимальное определение фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, а также световых, оптико-физических, квантовых и эритемных величин для излучения любого спектрального состава, измерение поступающей на облучаемый объект энергии излучения с учетом эффективности каждой длины волны по названным фотоэффектам в диапазоне 280-3000 нм и определение суммарной эксергии и фотоэффектов, отличающийся тем, что выделяют ту часть энергии оптического излучения как для солнечного спектра, так и иных спектральных составов, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, фотосинтезном, световом, эритемном и квантовом преобразованиях, и измеряют фотоэлектрическую, фотосинтезную эксергии, световой, эритемный и квантовый фотоэффекты применительно к этим видам преобразования энергии как солнечного спектра излучения, так и иных спекральных составов, при этом с помощью вычислителя оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени, и вычисляют фотоэлектрическую и фотосинтезную эксергии, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения этих двух видов, которые индицируют на дисплее устройства, и используют в процессе последовательного определения названных двух видов эксергии.

2. Устройство - универсальный фотометр-эксергометр, содержащее блок приемника оптического излучения с термоэлементом и спектрометром, вычислитель, суммирующий поступление на поверхность Земли двух видов эксергии оптического излучения в течение заданного периода времени, отличающееся тем, что вычислитель содержит блок вычислений, последовательно переключаемый на измерение каждого вида фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, светового, эритемного и квантового фотоэффекта, соединенный с блоком функций и дисплеем, при этом блок функций содержит блоки распределения энергии солнечного излучения, спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий, а выходы этих блоков соединены с блоком вычисления фотоэлектрической эксергии, фотосинтезной эксергии, а также светового, эритемного и квантового фотоэффектов, которые своими выходами соединены с дисплеем, а выход блока приемника оптического излучения соединен с входом вычислителя, при этом приемник оптического излучения содержит компенсированный термоэлемент, имеющий спектральную чувствительность, подобную спектральной чувствительности абсолютно черного тела.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области медицины, а именно к исследованию физических и химических свойств биологических материалов, и может быть использовано в судебно-медицинской практике для посмертного определения инфаркта миокарда.

Голографический способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала включает в себя обеспечение фокусировки светового потока внутри электрооптического элемента.

Изобретение относится к области спектроскопического обнаружения веществ и касается система для отслеживания в транспортном средстве целевых веществ. Система содержит камеру для гиперспектральной съемки, получающую изображения внутреннего пространства транспортного средства, процессор, электрически соединенный с указанной камерой, и устройство хранения информации, электрически соединенное с процессором.

Изобретение относится к кассовым терминалам. Технический результат - создание улучшенного классифицирующего устройства кассового терминала для обеспечения эффективной идентификации товаров.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа тестирования маркировки эвакуационного маршрута. Маркировка подсвечивается источником излучения, предназначенным для зарядки маркировки для достижения состояния послесвечения.

Изобретение относится к области оптических методов контроля и касается датчика для проверки ценного документа. Устройство включает в себя, по меньшей мере, два фотодетектора, принимающих свет в разных спектральных диапазонах.

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается дисперсионного спектрометра. Спектрометр включает в себя волновой дисперсионный элемент и два детектора.

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов включает в себя нанесение на острие иглы кантилевера АСМ слой активного материала. В нём производят возбуждение активирующим импульсом фемтосекундного лазера оптических фононов.

Изобретение относится к области спектроскопических астрофизических исследований и касается способа сравнительного анализа спектра звезды. Способ заключается в том, что свет от опорного источника разлагают в опорный линейчатый спектр, который сравнивают со спектром исследуемой звезды.

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается способа компенсации дрейфа амплитуды в спектрометре. Способ включает в себя выполнение процесса стандартизации, включающего измерение спектра образца стандартизации и спектра амплитуды нулевого материала и вычисление двухлучевого спектра, относящегося к образцу стандартизации.

Изобретение относится к области растениеводства, а именно к способу прогнозирования урожайности гибридов кукурузы. Способ включает отбор растений каждого гибрида, определение площади листьев, биометрических показателей путем определения количества и массы отдельных органов растений по фазам роста и развития, определение сухой биомассы растений, учет накопления вегетативной массы всего растения и семян за период развития, густоты стояния растений, фотосинтетического потенциала и расчет показателей чистой продуктивности фотосинтеза.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к плодоводству, и может найти применение при закладке сада на склоновых землях. Способ включает посадку плодовых культур на террасах с учетом их биологических особенностей.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к области селекции. Способ включает оценку образцов в травосмесях со злаковыми и разнотравными компонентами и отбор на конкурентоспособность выживших особей более 50%.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает определение площади, занятой растениями, высеваемыми по гексагональной схеме.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к плодоводству. В способе формируют кроны черешни по короновидному типу на сильнорослом подвое.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает оценку интродуцируемых в условиях Республики Коми растений малины относительно их отношения к метеорологическим условиям интродукционного района, оценку реакции этих растений, находящихся в фазе критического периода роста по показателям, в том числе к болезням, характерным для данного интродукционного района.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает определение площади, занятой растениями, высеваемыми по гексагональной схеме.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к виноградарству. Способ включает укладку однолетней отводки в пластиковую пятилитровую емкость.

Изобретение относится к области биотехнологии растений и лесному хозяйству и может быть использовано для получения новых тетраплоидных форм осины с измененной продуктивностью и морфологией.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ заключается в искусственном сокращении длины светового дня в течение определенного времени путем завязывания 5-6 верхних листьев над точкой роста.
Наверх