УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ СВЕТА ОКОННЫХ БЛОКОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2007 года по МПК G01J1/02 

Изобретение относится к области измерения и контроля светопропускания оконных блоков и других светопрозрачных строительных конструкций и их элементов.

Известна установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков (на фиг.1 показан ее общий вид, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1), включающая источник диффузного света типа А [далее - источник диффузного света], содержащий полусферу 1, осветительные приборы 4, расположенные внутри нее и подключенные через регулятор напряжения осветительных приборов 10, экраны 5 внутренних фотоэлементов от прямого попадания света от источника диффузного света, внешний фотоэлемент 6, направленный фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы 1 источника диффузного света, светомерную камеру, содержащую полусферу 2 и непрозрачную перегородку 3 с проемом для размещения оконного блока, измерительный блок, содержащий внутренние фотоэлементы 7, направленные фоточувствительными поверхностями в сторону полусферы 2 светомерной камеры, коммутатор аналоговых сигналов 8 и измерительное устройство 9 - микроамперметр или гальванометр, причем полусфера 1 источника диффузного света расположена на опорном цилиндре 11 и имеет больший диаметр, чем полусфера 2 светомерной камеры, непрозрачная перегородка 3 с проемом снабжена опорной решеткой для установки на нее оконного блока и расположена в горизонтальной плоскости, а ось симметрии установки расположена вертикально (ГОСТ 26602.4-99. Блоки оконные. Метод определения общего коэффициента пропускания света. С.6 - прототип). Для определения общего коэффициента пропускания света внутренние фотоэлементы откалибровывают так, чтобы обеспечивалась линейная зависимость выходного тока фотоэлемента от падающего на него светового потока с погрешностью не более ±1%. Измерения проводят (ГОСТ 26602.4-99, С.7) поочередно при каждом из трех фиксированных значений освещенности Е: (500, 750, 1000) лк ±5%, создаваемой источником диффузного света в плоскости проема непрозрачной перегородки, имеющего максимальные размеры, соответствующие максимальным размерам оконных блоков: 1460×1470 мм.

Недостатками установки-прототипа являются: большие габаритные размеры установки из-за значительного различия в размерах оконного блока и диаметров полусфер источника диффузного света и светомерной камеры (диаметр в 3-4 раза больше размеров оконного блока), что, кроме того, усложняет процесс изготовления полусфер и установки и повышает ее стоимость; вертикальное расположение оси симметрии установки требует большой высоты помещения, в котором размещается установка, так как диаметр полусферы 1 в четыре раза больше ширины проема непрозрачной перегородки, а высота расположения оконного блока при проведении измерений - 3 м, при установке оконного блока на опорную решетку полусфера 1 поднимается вверх, поэтому высота потолка в помещении должна превышать 6 м; кроме того, большие габаритные размеры установки-прототипа требуют для создания необходимой освещенности большого количества осветительных приборов и, следовательно, большого расхода электроэнергии; неудобство пользования установкой из-за расположения непрозрачной перегородки с проемом в горизонтальной плоскости, что приводит к необходимости подъема испытываемого оконного блока на значительную высоту и, кроме того, к повышенному загрязнению полусферы светомерной камеры; недостаточная точность определения общего коэффициента пропускания света из-за того, что опорная решетка в проеме непрозрачной перегородки перекрывает часть светового потока, а также сложности обеспечения линейности преобразования световой поток - напряжение из-за необходимости калибровки внутренних фотоэлементов; значительное время на процесс измерений и обработки результатов, так как измерение и обработка результатов измерений производятся вручную.

Техническими задачами, решаемыми изобретением, являются: уменьшение габаритов установки, уменьшение количества осветительных приборов и электроэнергии на их питание, повышение удобства пользования установкой, уменьшение погрешности определения общего коэффициента пропускания света, ускорение процесса измерения и упрощение обработки результатов измерений.

Поставленные технические задачи решаются следующим образом.

В установке для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков, включающей источник диффузного света типа А, содержащий полусферу, осветительные приборы, расположенные внутри нее, экраны от прямого попадания света и внешний фотоэлемент, направленный фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы источника диффузного света, светомерную камеру, содержащую полусферу и непрозрачную перегородку с проемом для размещения оконного блока, измерительный блок, содержащий внутренние фотоэлементы, направленные фоточувствительными поверхностями в сторону полусферы светомерной камеры, коммутатор аналоговых сигналов и измерительное устройство, полусферы источника диффузного света и светомерной камеры идентичны по конструкции, установлены таким образом, что ось симметрии установки направлена горизонтально, и соединены между собой с возможностью размещения оконного блока в проеме вертикально установленной непрозрачной перегородки светомерной камеры, при этом диаметр полусфер не более 1,2 максимального размера диагонали испытываемого оконного блока, непрозрачная перегородка с проемом для размещения оконного блока неподвижно соединена с полусферой источника диффузного света и снабжена малогабаритными фиксаторами положения оконного блока, осветительные приборы подключены к сети питания через стабилизатор напряжения, а проем защищен экранами от прямого попадания света осветительных приборов.

Для обеспечения равномерной стабильной во времени освещенности в плоскости проема непрозрачной перегородки светомерной камеры и задания требуемой освещенности на непрозрачной перегородке вблизи осей проема установлены попарно на взаимно перпендикулярных линиях 4, 6 или 8 осветительных приборов, которые через коммутатор осветительных приборов подключены к стабилизатору напряжения.

Для обеспечения линейности преобразования светового потока в напряжение каждый из внутренних фотоэлементов подключен к измерительному устройству через электронный преобразователь «ток - напряжение», имеющий входное сопротивление не более 1 Ом.

Предлагаемая конструкция установки для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков с горизонтальным расположением ее оси симметрии позволяет уменьшить габариты установки, создает большие удобства пользования за счет вертикального размещения оконного блока и использования стабилизатора напряжения сети питания осветительных приборов вместо регулятора напряжения, позволяет получить более равномерную и стабильную во времени требуемую освещенность, сократить количество осветительных приборов и, следовательно, расход электроэнергии для их питания в девять раз (так как внутренняя поверхность полусферы источника диффузного света пропорциональна квадрату ее диаметра, то уменьшение диаметра полусферы в три раза и приводит к уменьшению количества осветительных приборов и электрической энергии для их питания в девять раз); повысить точность измерения.

Для повышения точности измерений, упрощения обеспечения линейности преобразования световой поток - напряжение, значительного ускорения процесса измерений и обработки их результатов в измерительном блоке, содержащем внутренние фотоэлементы, направленные фоточувствительными поверхностями в сторону полусферы светомерной камеры, и коммутатор аналоговых сигналов, каждый внутренний фотоэлемент соединен с коммутатором аналоговых сигналов через электронный преобразователь «ток - напряжение», имеющий входное сопротивление не более 1 Ом, выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым измерительным каналом, включающим цифровой милливольтметр с двойным интегрированием, и вторым измерительным каналом, включающим аналого-цифровой преобразователь с предварительным усилителем, выходы первого и второго измерительных каналов соединены шинами данных через коммутатор цифровых сигналов с блоком сопряжения, который соединен шинами данных и шинами управления с ЭВМ и шиной управления с блоком управления, соединенным шинами управления с коммутатором аналоговых сигналов, аналого-цифровым преобразователем, цифровым милливольтметром с двойным интегрированием.

За счет использования электронных преобразователей «ток - напряжение», имеющих входное сопротивление не более 1 Ом, двух измерительных каналов на основе цифрового милливольтметра с двойным интегрированием и аналого-цифрового преобразователя с предварительным усилителем, ЭВМ упрощается обеспечение линейности преобразования световой поток - напряжение, достигается повышение точности измерений, значительное ускорение и упрощение процесса измерений и обработки результатов измерений

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.3 показан общий вид установки-изобретения с закрытой светомерной камерой; на фиг.4 - то же, с открытой светомерной камерой; на фиг.5 - функциональная схема измерительного блока.

Обозначения на фиг.3-5: 1 - полусфера источника диффузного света; 2 - полусфера светомерной камеры; 3 - непрозрачная перегородка с проемом 3-1 для установки оконного блока; 4 - осветительные приборы, установленные внутри полусферы источника диффузного света; 5 - экраны от прямого попадания света осветительных приборов; 6 - внешний фотоэлемент; 7 - внутренние фотоэлементы; 8 - коммутатор аналоговых сигналов; 9 - измерительное устройство (микроамперметр или гальванометр); 10 - стабилизатор напряжения; 10а - коммутатор осветительных приборов; 11 - рама для крепления полусферы источника диффузного света и непрозрачной перегородки; 12 - электронный преобразователь «ток - напряжение»; 13 - цифровой милливольтметр с двойным интегрированием; 14 - предварительный усилитель; 15 - аналого-цифровой преобразователь; 16 - коммутатор шин данных; 17 - блок управления; 18 - блок сопряжения; 19 - ЭВМ; 20 - шины управления; 21 - шины данных; 22, 23 - положения коммутатора шин данных 16; 24 - малогабаритные фиксаторы положения оконного блока; 25 - элементы крепления оконного блока.

Установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков включает источник диффузного света, содержащий полусферу 1, осветительные приборы 4, установленные внутри нее вблизи осей проема 3-1 непрозрачной перегородки 3, например, как показано на фиг.4 для восьми осветительных приборов, экраны 5 от прямого попадания света осветительных приборов, внешний фотоэлемент 6, направленный фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы источника диффузного света 1, светомерную камеру, содержащую полусферу 2, непрозрачную перегородку 3 с проемом 3-1 для размещения оконного блока, измерительный блок, содержащий внутренние фотоэлементы 7, направленные фоточувствительными поверхностями в сторону полусферы 2 светомерной камеры, с электронными преобразователями «ток - напряжение» 12, коммутатор аналоговых сигналов 8 и измерительное устройство 9. Внутренние поверхности полусфер покрываются белой матовой диффузно отражающей краской на основе сернокислого бария [Справочная книга по светотехнике /Под ред. Ю.Б.Айзермана. - М.: Энергоатомиздат, 1995. С.32] по специальной технологии [Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (Фотометрия). - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962]. Осветительные приборы 4 подключены к сети питания через коммутатор 10а осветительных приборов и стабилизатор напряжения 10. Полусферы источника диффузного света и светомерной камеры 1 и 2, соответственно, соединены, например, шарнирно, как показано на фиг.4. Непрозрачная перегородка 3 установлена вертикально на раме 11 для крепления полусферы 1 и перегородки 3, неподвижно соединена с полусферой 1 источника диффузного света и снабжена малогабаритными фиксаторами положения оконного блока 24. После размещения оконного блока для проведения измерений полусферы 1 и 2 фиксируются в закрытом положении, как показано на фиг.3. Внутренние фотоэлементы 7 и малогабаритные фиксаторы положения оконного блока 24 расположены на элементах 25 крепления оконного блока. Внешний фотоэлемент 6 закреплен, например, на малогабаритной штанге или растяжках так, что находится в центре проема непрозрачной перегородки 3. В качестве внешнего и внутренних фотоэлементов используются селеновые фотоэлементы (см., например, Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987), которые применяют для измерений в диапазоне длин волн 0,4... 0,7 мкм и имеют по сравнению с другими относительно высокую чувствительность, наиболее близкую к относительной чувствительности глаза. Чтобы ток селенового фотоэлемента был пропорционален падающему на него световому потоку, необходимо, чтобы сопротивление нагрузки было мало по сравнению с внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и не превышало 10 Ом [Гуревич М.М. Фотометрия. Теория, методы и приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1983]. В предлагаемой установке роль сопротивления нагрузки каждого внутреннего фотоэлемента играет электронный преобразователь «ток -напряжение» 12, выполненный на основе интегрального операционного усилителя с отрицательной обратной связью в виде резистора с сопротивлением R. Такой преобразователь имеет практически нулевое входное сопротивление, поэтому напряжение U_i на выходе i-того преобразователя определяется выражением U_i=Ф_i·S_i·R, где Ф_i и S_i - падающий поток и чувствительность i-того фотоэлемента, R - сопротивление резистора. Таким образом, использование электронных преобразователей «ток -напряжение» обеспечивает не только линейность преобразования, но и усиление сигнала в R раз.

Для обеспечения требуемой для проведения измерений освещенности (500, 750, 1000) лк осветительные приборы включают последовательно, например, по схеме 4+2+2 при использовании восьми осветительных приборов через коммутатор осветительных приборов и стабилизатор напряжения.

Процесс измерения заключается в поочередном проведении трех циклов снятия результатов измерений с внутренних фотоэлементов через электронный преобразователь «ток - напряжение» без оконного блока и с оконным блоком, установленным в проеме непрозрачной перегородки, при трех указанных значениях освещенности.

В случае использования стандартного измерительного устройства результаты измерений считываются с микроамперметра или гальванометра, усредняются и по усредненным значениям вычисляется общий коэффициент пропускания света оконного блока.

В случае использования предлагаемого измерительного блока первый цикл измерений проводится без установки оконного блока в проеме непрозрачной перегородки при освещенности 500 лк. В соответствии с программой коммутатор цифровых сигналов 16 устанавливается в положение 22, включая первый измерительный канал, затем с помощью коммутатора аналоговых сигналов 8 с запрограммированным интервалом времени поочередно выходы внутренних фотоэлементов 7 с электронными преобразователями «ток - напряжение» 12 подключаются к цифровому милливольтметру с двойным интегрированием 13 и с помощью блока сопряжения 18 результаты измерений n_i, соответствующие световому потоку, падающему на проем от полусферы источника диффузного света, считываются и накапливаются в памяти ЭВМ 19. Затем коммутатор цифровых сигналов 16 устанавливается в положение 23, включая второй измерительный канал, и с помощью коммутатора аналоговых сигналов 8 с запрограммированным интервалом времени поочередно выходы внутренних фотоэлементов 7 с электронными преобразователями «ток - напряжение» 12 подключаются через предварительный усилитель 14 к аналого-цифровому преобразователю 15, обеспечивающему до тридцати тысяч измерений в секунду, которые также накапливаются в памяти ЭВМ для дальнейшей статистической обработки. Цикл измерений повторяется три или более раз. Второй и третий циклы измерений выполняются аналогично при освещенностях 750 и 1000 лк.

Затем в проем непрозрачной перегородки устанавливается оконный блок и первый, второй и третий циклы измерений повторяются, при этом в памяти ЭВМ накапливаются результаты измерений n_τ, соответствующие световому потоку, прошедшему через оконный блок в светомерную камеру.

В случае простейшей обработки результаты измерений усредняются в соответствии с методикой, рекомендуемой ГОСТ 26602.4-99, с.6-7, и вычисляется общий коэффициент пропускания света (ОКПС) оконного блока τ=n_{τ среднее}/n_{i среднее}. В более сложных случаях обработки результатов измерений производится четвертый цикл измерений при освещенности 0 лк (темновые значения) и при вычислении ОКПС учитываются полученные темновые значения, а также значения корректирующих поправок.

Использование двух измерительных каналов облегчает взаимный контроль работоспособности каналов и повышает надежность работы измерительной системы. Использование стандартного цифрового милливольтметра с двойным интегрированием облегчает аттестацию установки в целом и позволяет уменьшить случайные погрешности измерений, обусловленные помехами от сети питания. Использование быстрого аналого-цифрового преобразователя позволяет накапливать большое количество результатов измерений с целью дальнейшей их обработки. Использование ЭВМ позволяет ускорить процесс измерений, применять различные методы обработки накопленной информации и выбирать оптимальный из них, упростить саму обработку результатов измерений и уменьшить погрешность измерений - в действующей установке для определения общего коэффициента пропускания света погрешность измерений составила менее 5%.

Предлагаемая установка изготовлена и включена в состав действующего оборудования ИЦ СМИК ЗАО «СибНИИстрой». По существу она является первой в Российской Федерации малогабаритной специализированной установкой, предназначенной для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков, а также других светопрозрачных строительных конструкций и их элементов.

Предложенная группа изобретений относится к области измерения и контроля светопропускания оконных блоков и других светопрозрачных строительных конструкций и их элементов. Техническими задачами, решаемыми предложенной группой изобретений, являются: уменьшение габаритов установки, уменьшение количества осветительных приборов и электроэнергии на их питание, повышение удобства пользования установкой, уменьшение погрешности определения общего коэффициента пропускания света, ускорение процесса измерения и упрощение обработки результатов измерений. Установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков включает в себя источник диффузного света типа А, содержащий полусферу, осветительные приборы, расположенные внутри нее, экраны от прямого попадания света, внешний фотоэлемент, светомерную камеру, содержащую полусферу и непрозрачную перегородку с проемом для размещения оконного блока, измерительный блок, содержащий внутренние фотоэлементы, коммутатор аналоговых сигналов и измерительное устройство. Полусферы источника диффузного света и светомерной камеры идентичны по конструкции и установлены таким образом, что ось симметрии установки направлена горизонтально, и соединены между собой с возможностью размещения оконного блока в проеме вертикально установленной непрозрачной перегородки светомерной камеры. При этом диаметр полусфер не более 1,2 максимального размера диагонали испытываемого оконного блока, непрозрачная перегородка с проемом для размещения оконного блока неподвижно соединена с полусферой источника диффузного света и снабжена малогабаритными фиксаторами положения оконного блока, осветительные приборы подключены к сети питания через стабилизатор напряжения, а проем защищен экранами от прямого попадания света осветительных приборов. Измерительный блок установки для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков содержит внутренние фотоэлементы и коммутатор аналоговых сигналов, при этом каждый внутренний фотоэлемент соединен с коммутатором аналоговых сигналов через электронный преобразователь «ток - напряжение», имеющий входное сопротивление не более 1 Ом, выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым измерительным каналом, включающим цифровой милливольтметр с двойным интегрированием, и вторым измерительным каналом, включающим аналого-цифровой преобразователь с предварительным усилителем, выходы первого и второго измерительных каналов соединены шинами данных через коммутатор цифровых сигналов с блоком сопряжения, который соединен шинами данных и шинами управления с ЭВМ и шиной управления с блоком управления, соединенным шинами управления с коммутатором аналоговых сигналов, аналого-цифровым преобразователем, цифровым милливольтметром с двойным интегрированием. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков, включающая источник диффузного света типа А, содержащий полусферу, осветительные приборы, расположенные внутри нее, экраны от прямого попадания света, внешний фотоэлемент, направленный фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы источника диффузного света, светомерную камеру, содержащую полусферу и непрозрачную перегородку с проемом для размещения оконного блока, измерительный блок, содержащий внутренние фотоэлементы, направленные фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы светомерной камеры, коммутатор аналоговых сигналов и измерительное устройство, отличающаяся тем, что полусферы источника диффузного света и светомерной камеры идентичны по конструкции, установлены таким образом, что ось симметрии установки направлена горизонтально, и соединены между собой с возможностью размещения оконного блока в проеме вертикально установленной непрозрачной перегородки светомерной камеры, при этом диаметр полусфер не более 1,2 максимального размера диагонали испытываемого оконного блока, непрозрачная перегородка с проемом для размещения оконного блока неподвижно соединена с полусферой источника диффузного света и снабжена малогабаритными фиксаторами положения оконного блока, осветительные приборы подключены к сети питания через стабилизатор напряжения, а проем защищен экранами от прямого попадания света осветительных приборов.2. Установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков по п.1, отличающаяся тем, что 4, 6 или 8 осветительных приборов установлены на непрозрачной перегородке вблизи осей проема попарно на взаимно перпендикулярных линиях и подключены к стабилизатору напряжения через коммутатор осветительных приборов.3. Установка для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каждый из внутренних фотоэлементов подключен к измерительному устройству через электронный преобразователь «ток - напряжение», имеющий входное сопротивление не более 1 Ом.4. Измерительный блок установки для определения общего коэффициента пропускания света оконных блоков, содержащий внутренние фотоэлементы, направленные фоточувствительной поверхностью в сторону полусферы светомерной камеры, и коммутатор аналоговых сигналов, отличающийся тем, что каждый внутренний фотоэлемент соединен с коммутатором аналоговых сигналов через электронный преобразователь "ток - напряжение", имеющий входное сопротивление не более 1 Ом, выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым измерительным каналом, включающим цифровой милливольтметр с двойным интегрированием, и вторым измерительным каналом, включающим аналого-цифровой преобразователь с предварительным усилителем, выходы первого и второго измерительных каналов соединены шинами данных через коммутатор цифровых сигналов с блоком сопряжения, который соединен шинами данных и шинами управления с ЭВМ и шиной управления с блоком управления, соединенным шинами управления с коммутатором аналоговых сигналов, аналого-цифровым преобразователем, цифровым милливольтметром с двойным интегрированием.