Способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра

(9 5 С 01 Л 1/1 О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ У РСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛ 6 Тф де А коэффициент, учпространственноние фотометра;поправочный козпостоянная Стефиана;максимальное позначение спектр тывающийразмеще ициеа-Бол спектр льного ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1. Тнходеев П.И. Новый государственный световой эталон СССР, И.-Л.,СССР, 1949.2. Пг. Е. Чо 8 е 1 Ъе Епгюь.с 1 с 1 цпйчопе 1 еКгг.зсЬ-Ва 1 ЬгхегЪагеп ВпрГап 8 егц 2 цз Иеззцп 8 йегоргзсЬепЗггаЬ 1 цп 8 з 1 езгцп 8" 001,Иегго 1 о 8 ьзсЬег АЬЬацй 1 цпдег, ВацдзНеИ 1 ,7 аЬгзл 6,1983, с,31-52(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФфИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГОФОТОИЕТРА, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемомусредству измерений размера единицысилы света - канделы, включающий.калибровку полостного приемника Фотометра путем измерения выходногосигнала 11 приемника в зависимостиот мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего Фильтра фотометра путем последовательноговывода и ввода фильтра в поток отисточника излучения и регистрациисоответствующих сигналов спектрометров, последующее совмещение полостного приемника с корригируюцимфильтром и определение коэффициентапреобразования первичного фотометра,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,.с целью повышения точности определения коэффициента преобразования до уровня, обеспечивающего возможностьиспользования Фотометра в составеГосударственного первичного эталонаединицы силы света - канделы, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме,для чего нагрев полостного приемникапроизводят потоком от абсолютногоизлучателя в виде нагреваемой моделичерного тела, при этом температурумодели определяют одновременно скалибровкой полостного приемникапо значениям выходного сигнала укаэанного полостного приемника испектрометра, а определение спектрального коэффициента пропусканиякорригирующего фильтра осуществляют путем последовательного:выводаи ввода корригирующего фильтра впоток перед входным отверстием имитатора геометрических параметров полостного приемника, при этом в качестве источйика излучения.иснользуют поверяемое. средство измерений,а коэффициент преобразования 8первичного фотометра определяютпо формуле1153240коэффициента пропусканиякорригирующего фильтра;Т - температура модели черноготела; эффективный коэффициентизлучения полости моделичерного тела при температуре Т, 1Изобретение относится к технической физике в части создания способовопределения коэффициента преобразования первичного фотометра, предназначенного для воспроизведения и 5передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света -канделы, и может быть использованово 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 35при температуре затвердевания платины, это излучение фокусируют напластинку светомерной головки н яркость излучения модели считают равной 600.000 кд/м , который принят 2 Ов качестве Государственного первичного эталона силы света 1 3.Недостатком известного способаявляется невозможность осуществленияс его помощью связи шкалы световыхвеличин с энергетической шкалой,что приводит к существенному разбросу (порядка0,8 ) в результатах международных сличений,Поэтому принято новое определе- ЗОние единицы силы света - канделыкандела представляет собой силусвета в данном направлении от источника, испускаемого монохромати 3ческое излучение частоты 540 х 10 Гц,З 5энергетическая сила света которогов этом направлении составляет1/683 в на стерадиан) и национальные метрологические центры проводят работу по созданию эталонов 40на основе нового определения канделы,Наиболее близким к изобретениюявляется способ определения коэффициента преобразования первичного 45фотометра, предназначенного для вос 2произвецения и передачи поверяемомусредству измерений размера единицы силы света - канделы, включающийкалибровку полостного приемникафотометра путем измерения выходйогосигнала Ц приемника в зависимостиот мощности его нагрева, определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтрафотометра путем последовательноговывода и ввода фильтра в потокот источника излучения и регистрациисоответствующих сигналов спектрометром, последующее совмещение полостного приемника с корригирующимфильтром и определение коэффициентапреобразования первичного фотометра,Нагрев полостного приемника фотомет-,ра осуществляют с помощью электрической обмотки замещения, определение спектрального коэффициентапропускания фильтра ведут без учетареальных геометрических параметровполостного приемника и поверяемогосрества измерений, а коэффициент преобразования Б первичного фотометраопределяют по отношению выходногосигнала приемника к поступающей внего мощности от электрической обмотки замещения с учетом спектрального коэффициента пропускания фильтра 21.Недостатком данного способа является низкая для уровня эталонныхизмерений точность воспроизведенияи передачи размера единицы силы света - кандела поверяемому средствуизмерений (суммарная погрешностьспособа составляет + 0,6%),обусловленная следующими факторами:в процессе операции калибровки полостного приемника фотометра использование метода электрического замещения вносит значительную составляющую в систематическую погрешностькалибровки фотометра за счет неиз53240 4полостного приемника с корригирующим фильтром и определениекоэффицие:та преобразования первичногофотометра, калибровку полостного 5 приемника осуществляют радиационнымпутем в вакууме, для чего нагревполостного приемника производятпотоком от абсолютного излучателяв виде нагреваемой модели черного 1 О тела (МЧТ), при этом температурумодели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходных сигнапов указанногополостного приемника и спектрометра, 15 а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующегофильтра осуществляют путем последовательного вывода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным 20 отверстием имитатора геометрическихпараметров полостного приемника,при этом в качестве источника излучения используют поверяемое средствоизмерений, а коэффициент преобразования Б 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, н того пучка, при котором фильтр калибруется, неидентичны, при этом источник, с помощью которого фильтр калибруется, имеет свои З 0 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. П 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- эффективный коэффициентизлучения полости ИЧТпритемпературе Т,С, - максимальное по спектру 35 значение спектральногокоэффициента пропусканиякорригирующего фильтра;А - коэффициент, учитывающийпространственное размещение фотометра;С - поправочный коэффициент;6 - постоянная Стефана-Больцмана;Т - температура ИЧТ.45 На фиг. 1 представлена принципиальная схема осуществления способаопределения коэффициента преобразования первичного фотометра; нафиг. 2 - первичный фотометр, продоль ный разрез.Установка для реализации способаопределения коэффициента преобразования первичного фотометра содержитабсолютный излучатель в виде 55 МЧТ 1, которая расположена в системе 2 вакуумных камер и нагрева спомощью автоматического регулятора 3.На оптической оси МЧТ 1 располага(1) 55 где С - константа,ют в системе 2 вакуумных камер калибруемый полостной приемник (ПП) 4 фотометра. Между МЧТ 1 и ПП 4 располагают апертурную диафрагму 5 МЧТ, подвижное зеркало 6, оптически свя 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 13.15Первичный фотометр содержит ПП 4 фотометра, размещенный в корпусе 14, но входном отверстии которого расположен фильтр 101 при этом ПП 4 включает приемный конус 15 и набор входных диафрагм 16.Способ осуществляют следующим образом.В процессе определения коэффициен 25 та преобразованияперничного фотометра одиимииз основныхопераций 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 ком от абсолютного излучателя -МЧТ 1. Для этого МЧТ нагревают, вы - водя на температурный режим последовательно при двух температурах Т и Т нрн этом измеряют выходные 40 сигналы М ПП 4 и сигналы на выходе спектрометра 8 для разных длин воли 3, . Температуру абсолютного излучателя определяют в результате решения избыточной системы линейных алгебраических уравнений для отношений интегральных яркостей Е и х ( 1; ) в которых коэффициентами служат сигналы; В процессе описанного опре теления 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 источникаизлучения, 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: П - выходного сигнала ПП 4 при значении температуры Т МЧТ 1 Т - мак"ф в симального значения спектрального коэффициента пропускания корригирующего Фильтра 10, определяют искомый коэффициент преобразования Я первичного фотометра по зависимостигде Е эффективный коэффициентизлучения полости МЧТ притемпературе Т, являющийсяноминальной характеристикой МЧТ; 5постоянная Стефана-Больцмана;коэффициент, учитывающийпространственное размещение Фотометра (в этапоне),при этом1 м Кч КеС(1 - Ка) К- поправка, учитывающая где неидентичность функций относительно спектрального 30 коэффициента преобразования первичного фотометра и спектральной световой эффективности излучения для дневного зрения (значение Кч находитсЯ в пРеделах 0,996 - 0,998, нижний и верхний пределы обусловлены практическим диапазоном цветовых температур (2300 - 2850 К) поверие мых средств измерений, при выходе из этого диапазона температур поверяемоесредство выходит из гра ниц исследуемого видимого 45 диапазона спектра излучения);поправка, учитывающая геометрические размеры тела накала поверяемого средст 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 Кв расстояние от апертурной диафрагмы до входной диафрагмы системы ПП;расстояние от плоского15 филь тра 1 О пе рвич ног о фото- метра до рабочей плоскости тела накала поверяемого средства 9 измерений;площадь апертурной днафраг мы 5.поправочный коэффициент, определяемый по формуле накала не обеспечивает ус"ловие его "точечиости",т, е. такое тело цахалане пригодно для использования условий заданнойэталонной точности,. выходэа верхний предел ограничен реальной технологиейизготовления тела накала),;поправка, учитывающая дифракционные потери на апертурной диафрагме 5 МЧТ ивходной диафрагме 16 ПП,находится в интервале значений(0,92 - 0,84) 1 Оверхний и нижний пределыкоторого обусловлены практическими значениями температур МЧТ.(2300-2850 К),при изменении температуры МЧТ в указанных практических пределах в сторонуувеличений, спектр еесдвигается в коротковол.новую область, при этомуказанные дифракционныепотери уменьшаются пропорционально эффективной длине волны.Предлагаемый способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра позволяет по сравне 22. нию с прототипом эа счет осуществления операциикалибровки 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 операцив определения спектрального коэффициента пропускания корри-.гирующего фильтра фотометра в присутствии имитатора геометрических параметров ПП с помощью источника излучения - поверяемого средства измерений позволяет полностью из мерять пропускание фильтра в тех же условиях, в которых фотометр используется в процессе воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы - канделы. О При этом точность определения коэфФициента преобразования первичного фотометра повышается за счет исключения составляющих систематической погрешности, отсутствия отличий поляризации излучения от реального поверяемого срества, идентичности распределения плотности энергии в поперечном сечении ручка 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 ности спектрального состава излучения (поскольку источник излучения поверяемое средство измерений один и тот же при измерении пропускания и при передаче размера единицы), ЗОП р и м е р. При реализации способа используют следующую аппаратуру; в качестве МЧТиспользуют МЧТ, выполненную в вцце 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,5, обеспечивающей вакуум порядка 5 10Па; автоматический регулятор 3 нагрева МЧТ выполнен иа базе теристорного регулятора типа РНТТ-ЗЗО, обеспечивает нагрев 45 МЧТ в диапазоне 500-3000 К; в качестве полостного приемника 4 используют приемник типа ППс входной апертурой 6 мм; подвижное зеркало 6 - плоское зеркало 30 х 30 мм; И зеркальный конденсатор 7 состоит из трех плоских зеркал 40 х 40 мм одного сферического зеркала с фокусным расстоянием 0,5; в качестве спектрометра 8 используют двойной спектро метр типа НВД; корригирующий фильтр 10 представляет собой жидкостной соляной фильтр, помещенныйСЛ Ч Елеф Л ЧЛ) Е(Л 1 сЮЛ где К (Лотносительная спектральнаяхарактеристика поверяемогосредства измерений;относительная спектральнаясветовая эффективностьдля дневного зрения; относительный спектральный коэффициент пропускач("1 в стеклянную кювету, толщиной 1 О мм имитатор 1 геометрических параметров изготовлен совместно с полостным приемником типа ППс сохранением идентичности геометрических размеров входных диафрагм 12 и 1 б; в качестве поверяемого средства 9 измерений используют лампу типа СИС 1 07.1000; 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 Т = 2400 К, при этом выходной сигнал ПП составил Б, = 70,81 мкВ, затем осуществлен нагрев МЧТ до температуры Т2500 К, выходной сиг-, нал ПП составил У = 83,29 мкВ, истинное значение температуры Т МЧТ определено одновременно с калибровкой ПП иэ упомянутой системы уравнений (2 ).Определение спектрального коэффициента с пропускания фильтра фото- метра путем вывода и ввода Фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром выделило значение Т - максимального по спектру значения спектрального коэффициента пропускания фильтра, равное= 0,5495.Значение Кпоправри определено по расчетным таблицам. Табличные значения К получены из выражениякаэ 2498/36 ЗНИИПИ 97По атентф, г, Ужгород, ул.Проектная ния фильтра - функциянормирования максимума 7Значение К для указанных температур Т и Т в таблице практически1 2.совпадает (с точностью до четвертого знака) и равно К = 0,9962,Затем подстановкой значений измеренных и определенных указанных параметров в формулу (1) для определения коэффициента Я полученны следующие значения; при температуре МЧТ Т= 2400 К Я = 1,1453 1 О ф В/Кц; при температуре МЧТ Т= 2500 К Б =1,1441 10В/кд.Сопоставление полученных числовых значений коэффициента Фотометра, полученных согласно предлагаемому спо, собу приразличных исходныхпараметрах измерений, показывает, что случайная составляющая погрешность определения коэффициента преобразования первичного фотометра не превышает значения 0,00. При этом систематическаясоставляющая погрешности способа 5 составляет 0,025. Значения тех жесоставляющих погрешности по способупрототипу составляют соответственно0,002 и 0,055, что не удовлетворяет заданному уровню точности, предьявляемому Государственному эталонуединицы силы света - канделы. Таким образом, полученные в результате использования предлагаемо го способа точностные параметры определения коэффициента преобразования первичного Ьотометра делают возможным его использование в составе Государственного первичного эталона 20 единицы силы света - канделы.