СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНОСТИ ГРАДУИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОМЕТРА Российский патент 2005 года по МПК G01J1/42 

Предлагаемое изобретение относится к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения метеорологической дальности видимости при метеообеспечении взлета и посадки воздушных судов, а именно к технике контроля линейности световых характеристик импульсных фотометров.

Широко известны способы контроля линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя с использованием устройств, обеспечивающих изменение потока в известном соотношении [1, 2]. Для этого наиболее часто используют нейтральные светофильтры, которые помещают в световой поток, падающий на фотопреобразователь, как описано в [2, 3].

Такой способ приемлем при выполнении поверки фотометрических преобразователей, но мало пригоден при контроле линейности их градуировочной характеристики, особенно при большом количестве используемых приборов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ контроля линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя светового коэффициента пропускания, который основан на ослаблении светового потока фотоэлектрического преобразователя при помощи нейтрального светофильтра и измерении соответствующих электрических сигналов на выходе фотоэлектрического преобразователя [4].

В известном способе устанавливают N начальных уровней светового потока при помощи регулируемого аттенюатора и измеряют соответствующие уровни электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя при установке нейтрального светофильтра на пути светового потока I_ф и без него I₀, перекрывают световой поток непрозрачным экраном, определяют абсолютную величину систематической погрешности (Δ) (смещение "нуля", по уточненным значениям

I'₀=I₀-(Δ),

вычисляют отношения x_n=I'_ф/I'₀, для каждого уровня светового потока, вычисляют х,

Х_сред.=(x₁+x₂+x₃+.........+x_n)/n,

а также величины абсолютных значений отклонения от среднего

x_n-x_сред, по которым выявляют наличие и степень нелинейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя, при этом по среднему значению x_n для линейного (с заданной погрешностью) участка градуировочной характеристики определяют коэффициент пропускания нейтрального светофильтра и по аттестованному таким образом светофильтру выполняют поверку фотоэлектрического преобразователя.

Недостатки описанного способа заключаются в следующем:

- необходимость предварительной градуировки светофильтров с точностью, превышающей точность проверяемого прибора;

- необходимость использования специальных аттенюаторов сложной конструкции, чтобы охватить весь диапазон световой характеристики фотоэлектрического преобразователя.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение требуемой точности контроля линейности градуировочной характеристики импульсного фотометра при упрощении и удешевлении проведении операций, составляющих способ.

Для решения поставленной задачи предлагается способ контроля линейности градуировочной характеристики импульсного фотометра, который, как и прототип, основан на ослаблении светового потока при помощи нейтральных светофильтров и измерении соответствующих электрических сигналов на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе последовательно устанавливают N начальных уровней светового потока при помощи нейтральных светофильтров и измеряют соответствующие уровни электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра при установке остальных n-1 нейтральных светофильтров на пути светового потока I_ф(n) и без них I_0(N), перекрывают световой поток непрозрачным экраном, определяют абсолютную величину систематической погрешности /Δ/ (смещение "нуля"), по уточненным значениям

I'_0(N)=I_0(N)-/Δ/; I'_ф(n)=I_ф(n)-/Δ/;

вычисляют отношения

x_n=I'_ф(n)/I'_0(N)

для каждого начального уровня светового потока I_0(N) и каждого нейтрального светофильтра, за исключением номера n светофильтра, задающего начальный уровень N, вычисляют среднее из результатов измерений

x_n(N)=(x_n1+x_n2+x_n3+.........+x_nN)/(n-1),

а также величины абсолютных значений отклонений x_n-x_n(N), по которым выявляют наличие и степень нелинейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра, при этом по среднему значению x_n(N) для линейного (с заданной погрешностью) участка градуировочной характеристики определяют коэффициент пропускания каждого из n нейтральных светофильтров и по аттестованным таким образом светофильтрам выполняют поверку фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра по принципу ослабления светового потока фотоэлектрического преобразователя при помощи нейтральных светофильтров и измерении соответствующих электрических сигналов на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра.

Число измерений всегда на единицу меньше числа светофильтров.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в повышении точности контроля линейности градуировочной характеристики импульсного фотометра, поскольку снижается погрешность аттестации контрольных светофильтров.

Кроме того, систематическая погрешность измерительного прибора, подключенного к выходу преобразователя, не оказывает влияния на оценку линейности градуировочной характеристики. По предлагаемому способу возможна оценка прозрачности контрольного светофильтра с высокой степенью точности.

Предлагаемый способ контроля линейности градуировочной характеристики импульсного фотометра поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа, и таблицей результатов измерений линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра.

Согласно функциональной схеме способ реализуется с помощью фотоэлектрического преобразователя 1 импульсного фотометра, например, по [3], содержащего источник 2 и приемник 3 света, а также световозвращатель 4, приспособление для установки светофильтров 5 и вольтметр 6.

Световозвращатель 4 представляет собой ретрорефлектор в виде набора триппель-призм. В таблице показаны результаты измерений линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя.

В приспособление 5 устанавливают один из n контрольных нейтральных светофильтров и измеряют уровень электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя I_0(N) с помощью вольтметра 6.

Дополнительно в приспособление 5 устанавливают поочередно остальные n-1 контрольные светофильтры. Обычно n=5.

Измеряют соответствующие уровни электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя 1 импульсного фотометра при установке нейтрального светофильтра на пути светового потока I_ф(n) и без него I_0(N). Перекрывают световой поток непрозрачным экраном, определяют абсолютную величину систематической погрешности погрешности /Δ/ (смещение "нуля"), по уточненным значениям

I'_0(N)=I_0(N)-/Δ/; I'_ф(n)=I_ф(n)-/Δ/;

вычисляют отношения

x_n=I'_ф(N)/I'_0(N),

для каждого нейтрального светофильтра вычисляют среднее из результатов измерений

x_n(N)=(x_n1+x_n2+x_n3+.........+x_nN)/(n-1),

а также величины абсолютных значений отклонений x_n-x_n(N), по которым выявляют наличие и степень нелинейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра, при этом по среднему значению x_n для линейного (с заданной погрешностью) участка градуировочной характеристики определяют коэффициент пропускания нейтрального светофильтра. Коэффициент пропускания нейтральных светофильтров выбирают в районе значений 0,9-0,1.

В приспособление 5 устанавливают следующий один из n контрольных светофильтров и измеряют уровень электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя I_0(N). Дополнительно в приспособление устанавливают поочередно остальные n-1 контрольные светофильтры и измеряют соответствующие уровни электрических сигналов на выходе. Указанные операции повторяют с каждым светофильтром. По аттестованным таким образом светофильтрам выполняют поверку фотометрического преобразователя импульсного фотометра.

Конкретный пример определения линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра по одному светофильтру приведен в таблице.

На выходе фотоэлектрического преобразователя ток измерялся цифровым вольтметром В7-38. Максимум тока соответствовал 100% светового потока и составил 10 мА. Проверка проводилась в 6 точках внутри диапазона измерения светового потока. С помощью непрозрачного экрана было неопределено абсолютное значение систематической погрешности, равное 0,3 мА. Установили "0" на выходе фотоэлектрического преобразователя и повторно определили отношениеи каждого уровня светового потока с применением нейтрального фильтра и без него. Рассчитали среднее значение x_n(N) для линейного участка (с минимальными отклонениями x_n от x_n(N), по которому установили коэффициент пропускания каждого нейтрального светофильтра.

Как видно, более точное значение наблюдается в случае учета систематической погрешности. Судить об этом можно по величинам абсолютной и относительной погрешности линейности градуировочной характеристики x_n-x_n(N) и D. При этом относительная погрешность D выражается в процентах и относится к максимальному значению светового потока в измеряемом диапазоне, как делается это при аттестации светофильтров, и определяется по формуле:

D=(I_on/I₀₁)·(x-x_n)

(I_0(N)/I₀₁)·[x_n-x_n(N)].

Основным техническим результатом предлагаемого способа является возможность проверки линейности градуировочной характеристики фотоэлектрического фотопреобразователя без применения дорогой аттестации светофильтров, которую необходимо регулярно проводить по ныне действующим методикам поверки.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. М.И.Эпштейн. "Измерения оптического излучения в электронике", М.: "Энергоатомиздат", 1990, с.175-176.

2. В.В.Кудрявцев, А.В.Смирнов, М.В.Чадеев. "Методика определения градуировочных характеристик фотометров". Измерительная техника, 1986, N 9, с.26.

3. Сертификат Госстандарта России об утверждении типа средств измерений N2991 от 10.10.97 г.

4. Российская Федерация, патент №2149364, МПК: 7 G 01 J 1/42, 2000 г. - прототип.

Способ контроля линейности градуровочной характеристики фотоэлектрического преобразователя светового коэффициента пропускания. I_ф(N) мА I₀(N)Xп=Iф(N)I₀(N) %D %I'_ф (N) мАD' %I019,6669,15 +0,60,69,6969,24 -0,280,27IФ16,68    6,71    I027,89568,90 +0,360,298,92569,02 -0,080,0451Ф25,446 68,56  5,47 68,96  I036,15468,94 +0,40,226,18469,01 -0,050,05IФ34,243    4,283    I044,15468,65 +0,10,024,18768,9 -0,060,03IФ42,854    2,884    I052,95068,54 -0,02-0,0022,95069,56 +0,60,18IФ52,022    2,052    I061,17567,23 -1,330,161,20568,0 -0,960,12IФ60,79    0,820    I_0(N) - значение светового потока данного уровня без применения нейтрального светофильтра, Iф(N) - с применением нейтрального светофильтра

Абсолютное значение систематической погрешности ("смещение нуля") =0,3 мА при отсутствии светового потока.

Абсолютная погрешность линейности градуировочной характеристики, отнесенная к максимальному значению светового потока в измеряемом диапазоне

D'=(Ion'/I₀₁')(X'-Xn').

Использование: в технике измерения оптических характеристик атмосферы для определения метеорологической дальности видимости при метеообеспечении взлета и посадки воздушных судов, а именно в технике контроля линейности световых характеристик фотоэлектрических преобразователей светового коэффициента пропускания. Сущность: последовательно устанавливают N начальных уровней светового потока при помощи нейтральных светофильтров и измеряют соответствующие уровни электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра при установке остальных n-1 нейтральных светофильтров на пути светового потока I_n(N) и без них I_0(N), перекрывают световой поток непрозрачным экраном, определяют абсолютную величину систематической погрешности /Δ/ (смещение "нуля"), по уточненным значениям

I'_0(N)=I_0(N)-/Δ/; I'_n(N)=I_ф(N)-/Δ/;

вычисляют отношения

x_n=I'_n(N)/I'_0(N)

для каждого начального уровня светового потока и каждого нейтрального светофильтра, вычисляют среднее из результатов измерений

X_n(N)=(x_n1+x_2n2+x_3n3+......+x_nN)/(n-1),

а также величины абсолютных значений отклонений x_n-x_n(N), no которым выявляют наличие и степень нелинейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра, при этом по среднему значению x_n для линейного (с заданной погрешностью) участка градуировочной характеристики определяют коэффициент пропускания нейтрального светофильтра и по аттестованному таким образом каждому светофильтру выполняют поверку фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра. Техническим результатом является обеспечение требуемой точности при упрощении измерений. 1 ил., 1 табл.

Способ контроля линейности градуировочной характеристики импульсного фотометра, основанный на ослаблении светового потока при помощи нейтральных светофильтров и измерении соответствующих электрических сигналов на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра, отличающийся тем, что последовательно устанавливают N начальных уровней светового потока при помощи нейтральных светофильтров и измеряют соответствующие уровни электрического сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра при установке остальных n-1 нейтральных светофильтров на пути светового потока I_n(N) и без них I_0(N), перекрывают световой поток непрозрачным экраном, определяют абсолютную величину систематической погрешности /Δ/ (смещение "нуля"), по уточненным значениям

I'_0(N)=I_0(N)-/Δ/; I'_n(N)=I_n(N)-/Δ/;

вычисляют отношения

х_n=I'_n(N)/I'_0(N)

для каждого начального уровня светового потока и каждого нейтрального светофильтра вычисляют среднее из результатов измерений

X_n(N)=(x_n1+x_n2+x_n3+......+x_nN)/(n-1),

а также величины абсолютных значений отклонений x_n-x_n(N), по которым выявляют наличие и степень нелинейности градуировочной характеристики фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра, при этом по среднему значению x_n-x_n(N) для линейного (с заданной погрешностью) участка градуировочной характеристики определяют коэффициент пропускания каждого нейтрального светофильтра и по аттестованным таким образом светофильтрам выполняют поверку фотоэлектрического преобразователя импульсного фотометра.