Способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра Советский патент 1985 года по МПК G01J1/10 

коэффициента пропускания корригирующего фильтра; - температура модели черного тела

- эффективный коэффициент излучения полости модели черного телапри температуре Т,

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОГО ФОТОМЕТРА, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света - канделы, включающий калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходного сигнала U 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 спектрометров , последующее совмещение по-, лостного приемника с кррригируюцим фильтром и определение коэффициента преобразования первичного фотометра, отличающийся тем, что,. с целью повышения точности -определения коэффициента преобразования до уровня, обеспечивающего возможность использования фотометра в составе Государственного первичного эталона единицы силы света - кандалы, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме, дпя чего нагрев полостного приемника; производят потоком от абсолютного излучателя в виде нагреваемой модели черного тела, при этом температуру модели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходного сигнала указанного полостного приемника и спектрометра, а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра осуществляО) ют путем последовательного -вывода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным отверстием имита, тора геометрических параметров полостного приемншса, при этом в качестве источшпса излучения используют поверяемое средство измерений, СП а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по формуле 4ii |« где А - коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра; С - поправочный коэффициент; -6 - постоянная Стефана-Больцмана; Тр„ - максимальное по спектру значение спектрального

Изобретение относится к техниче кой физике в части создания способ определения коэффициента преобразо вания первичного фотометра, предназначенного для воспроизведения и передачи поверяемому средству изме рений размера единицы силы света канделы, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйств использующих световые измерения. Известен способ эталонного воспроизведения и передачи единицы си лы света - канделы, в котором используют поток излучения от излучателя в виде модели черного тепа при температуре затвердевания плати ны, это излучение фокусируют на пластинку светомерной головки и яркость излучения модели считают равной 600.000 кд/м, который принят в качестве Государственного первичн го эталона силы света L1J. Недостатком известного способа является невозможность осуществлени с его помощью связи шкалы световых величин с энергетической шкалой, что приводит к существенному разбросу (порядка i 0,8%) в результатах международных сличений. Поэтому принято новое определение единицы силы света - канделы (кандела представляет собой силу света в данном направлении от источника, испускаемого монохроматическое излучение частоты 5АОх 10 Г энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 в на стерадиан) и национальные метрологические центры проводят работу по созданию эталонов на основе нового определения канделы. Наиболее близким к изобретению является способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра, предназначенного для вос произведения и передачи поверяемому средству измерений размера единицы силы света - канделы, включающий калибровку полостного приемника Фотометра путем измерения выходного сигнала U приемника в зависимости от мощности его нагрева, определение спектрального коэффихщента пропускания корригирующего фильтра фотометра путем последовательного вывода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром, последующее совмещение полостного приемника с корригирующим фильтром и определение коэффициента преобразования первичного фотометра. Нагрев полостного приемника фотометг ра осуществляют с помощью электрической обмотки замещения, определение спектрального коэффициента пропускания фильтра ведут без учета реальных геометрических параметров полостного приемника и поверяемого срества измерений, а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по отношению выходного сигнала приемника к поступающей в него мощности от электрической обмотки замещения с учетом спектрального коэффициента пропускания фильтра Г2. Недостатком данного способа является {шзкая для уровня эталонных измерений точность воспроизведения и передачи размера единицы силы света - кандела поверяемому средству измерений (суммарная погрешность способа составляет + 0,6%), обусловленная следующими факторами: в процессе операции калибровки полостного приемника фотометра использование метода электрического замещения вносит значительнуюсоставляющую в систематическую погрешность калибровки фотометра за счет неизбежной 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 сопротивление 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 корригирующего фильтра фотометра без ут1ета реальных геометрических параметров полостного приемника фотометра и поверяемого средства

измерений также вносится существенньй вклад в общую систематическую погрешность способа, так как в процессе воспроизведения и передачи размера единицы геометрические параметры пучка, проходящего через фильтрJ и того пучка, при котором фильтр калибруется, неидентичны, при этом источник, с помощью которого фильтр калибруется, имеет свои поляризационные параметры, отлич№.18 от параметров поверяемого средства измерений.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента нреобразования до уровня, .обеспечивающего возможность использования фотометра в составе Государственного первичного эталона единицы силы света - канделы.

Поставленная цель достигается , что согласно способу определения коэффициента преобразования первичного фотометра, предназначеннго для воспроизведения и передачи поверяемому средству измерений разнра единицы силы света - канделы, включающему калибровку полостного приемника фотометра путем измерения выходного сигнала U 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 совмещен

полостного приемника с корригирующим фильтром р определение коэффициента преобразования первичного фотометра, калибровку полостного приемника осуществляют радиационным путем в вакууме, для чего нагрев полостного приемника производят потоком от абсолютного излучателя в виде нагреваемой модели черного тела (МЧТ), при этом температуру модели определяют одновременно с калибровкой полостного приемника по значениям выходных сигналов указанного полостного приемника и спектрометра а определение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра осуществляют путем последовательного вьгоода и ввода корригирующего фильтра в поток перед входным отверстием имитатора геометрических параметров полостного приемника, при этом в качестве источника излучения используют поверяемое средств измерений, а коэффициент преобразования S первичного фотометра определяют по формуле

и

W

(1)

6Т

где EJ - эффективный коэффициент излучения полости МЧТ при температуре Т,

Т - максимальное по спектру значение спектрального коэффициента пропускания корригирующего фильтра; А - коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра;

С - поправочный коэффициент; (э - постоянная Стефана-Больцмана;

Т - температура МЧТ. На фиг. 1 представлена принципиальная схема осуществления способа определения коэффициента преобразования первичного фотометра; на фиг. 2 - первичш.1й фотометр, продолный разрез.

Установка для реализации способа определения коэффициента преобразовния первичного фотометра содержит абсолютный излучатель в виде -: МЧТ 1, которая расположена в системе 2 вакуумных камер и нагрева с помощью автоматического регулятора На оптической оси МЧТ 1 располагают в системе 2 вакуумных камер калибруемый полостной приемник (ПП) фотометра. Между МЧТ 1 и ПП 4 расп лагают апертурную диафрагму 5 МЧТ, подвижное зеркало 6, оптически свя занное с зеркальным конденсором 7. Вне вакуумного объема системы 2 устанавливают связанные между собо с помощью зеркального конденсора 7 спектрометр 8, поверяемое средство , измерений, корригируюший фильтр 10 имитатор 11 геометрических парамет ров полостного приемника 4 с набо ром входных диафрагм 12 и фотометри ческий шар 13. . Первичный фотометр содержит ПП фотометра, размещенный в корпусе 14 во входном отверстии которого расположен фильтр 10J при этом ПП 4 включает приемный конус 15 и набор входных диафрагм 16. Способ осуществляют следующим образом. В процессе определения коэффициен та преобразованияпервичного фотомет ра одними из основныхопераций являют ся калибровкаПП 4 фотометрам опреде ление спектрального коэффициента про пускания корригирующего фильтра 0, после чего совмещают входную апертуру ШТ скорригирующим фильтром. Шерацию калибровки ПП 4 фотометра осуществляют радиационным путем в системе 2 вакуумных камер. Для этого производят нагрев ПП 4 потоком от абсолютного излучателя МЧТ J. Для этого МЧТ нагревают, выводя на температурный режим последовательно при двух температурах Т и Т, , при этом измеряют выходные сигналы и ПП 4 и сигналы на выходе спектрометра 8 для разных длин волн Л.. Температуру абсолютного излучателя сшределяют в результате решения избыточной систе(4)1 линейных алгебраических уравнений для отношений интегральных яркостей Z и X ( Л ) в которых коэффициента ми служат сигналы: UJT.J (T,,A,: где GI - константа. В процессе описанного определения 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 осуществляют определение спектрального коэффициента пропускания (его максимальное значение С ) корригирующего фильтра 10 путем последовательного вьгоода и ввода фильтра 10 в поток от источника излучения, 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 повторяющих 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 I1 с поверяемым средством 9 измерений в процессе определения спектрального коэффициеита пропускания фильтра 10 позволяет выделить для измерения коэффициента пропускания пучок с ТЕМИ же свойствами, что и пучок при передаче размера единицы, что направлено на уменьшение систематической составяющей суммарной погрешности опредеения коэффициента преобразования первичного фотометра. Затем с учетом казанных и определенных значений: - выходного сигнала ПП 4 при зиа-. ении температуры Т МЧТ Г; Т - макимального значения спектрального оэффициента пропускания корригиующего фильтра 10, определяют искоый коэффициент преобразования S ервичного фотометра по зависимости S. Ц - В 1 т- где j - эффективный коэффициент излучения полости МЧТ при температуре Т, являющийся номинальной характеристикой МЧТ; постоянная Стефана-Больцмана; - коэффициент, учитывающий пространственное размещение фотометра (в эталоне) при этом 1 - расстояние от апертурной диафрагмы до входной диаф рагмы системы ПП; 1 - расстояние от плоского фильтра 10 первичного фот метра до рабочей плоскост тела накала поверяемого средства 9 измерений; Q - площадь апертурной диафра С - поправочный коэффициент, определяемый по формуле где Ку - поправка, учитывающая с неидентичность функций от носительно спектрального коэффициента преобразоваНИН первичного фотометра и спектральной световой эффективности излучения для дневного зрения (значение KY находится п пред лах 0,996 - 0,998,, нижни и верхний пределы обуслов лены практическим диапазо ном цветовых температур (2300 - 2850°К) поверяемых средств измерений, пр выходе из этого диапазона температур поверяемое средство выходит из границ исследуемого видимог диапазона спектра излуче ния) ; Kg - поправка, учитывающая ге метрические размеры тела накала поверяемого средс ва измерений, находится в диапазоне 0,92-0,94, пределы которого обуслов лены геометрией реальных тел накала поверяемых средств измерений, (выхо нижнего предела показьша ет, что геометрия тела накала не c)tieciio4HH--iPT ус лоние его точечное/ и , т.е. такое тело идкала не пригодно Д.ПЯ использования услопий заданной эталонной точности, пыход за верхн1 Й предел ограничен реальной технологией изготовления тела накала),; Kj. - поправка, учитывающая дифракционные потери на апертурной диафрагме 5 МЧТ и входной диафрагме )6 ПП, находится в итервале значений(0,92-0,8А). 10, верхний и нижний пределы которого обусловлены практическими значениями температур МЧТ (2300-2850°К), при изменении температуры МЧТ в указанньтх практических пределах в сторону увеличений, спектр ее сдвигается в коротковолновую область, при этом указанные дифракционные потери уменьшаются пропорционально эффективной дпине волны. Предлагаемый способ определения коэффициента преобразования первичного фотометра позволяет по сравнен т нию с прототипом за счет осуществления операции калибровки 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 составляюш;их систематической погрешности определения коэффициента преобразования первичного фото7- етра за счет исключения влияния термического сопротивления приемной полости ПП, исключения неидентйчности путей теплопередачи при радиационном и электрическом нагреве, за счет отсутствия конвективных потерь в вакууме повьрается стабильность и чувствительность ПП в процессе его калибровки. Одновременно осуществление операции определения спектрального коэффициента пропускания корритирующего фильтра фотометра в присутствии имитатора геометрических параметров ТТЛ с помощью источника излучения - поверяемого средства измерений позволяет полностью измерять пропускание фильтра в тех же условиях, в которых фотометр исполь зуется в процессе воспроизведения и передачи поверяемому средству Измерений размера единицы - канделы При этом точность определения коэффициента преобразования первичного фотометра повышается за счет исключ ния составляю цих систематической погрешности, отсутствия отличий пол ризации излучения от реального пове ряемого срества, идентичности распределения плотности энергии в поперечном сечении ручка при измерении -пропуск атшя фильтра и при передаче с помощью фотометра размера единицы силы света поверяемому сред ству, 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 при передаче размера единицы). Пример. При реализации способа используют следующую аппара ру: в качестве МЧТ I используют МЧ.1 выполненную в виде двух коаксиальны трубок из карбида ниоби;- длиной 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 типа АВП-0,5, обеспечивающей вакуз порядка 5 автоматический регулятор 3 нагрева МЧТ выполнен на базе теристорного регулятора типа РНТТ-330, обеспечивает нагрев МЧТ в диапазоне 1500-3000 К; в качестве полостного приемника 4 используют приемник типа Ш1-8 с входной апертурой 6 мм; подви ное зеркало 6 - плоское зеркало 30x30 мм; зеркальный конденсатор 7 состоит из трех плоских зеркал 40x40 мм одного сферического зеркала с фокусным расстоянием 0,5; в качестве спектро метра 8 используют двойной спектреметр типа НВД-1; корригирующий фипьтр JO представляет собой жидкостной соляной фильтр, помещенный 010 в стеклянную кювету, толщиной 10 мм; имитатор 1 геометрических параметров изготовлен совместно с полостным приемником типа ПП-8 с сохранением идентичности геометрических размеров входных диафрагм I2 и 16; в качестве поверяемого средства 9 измерений испольгуют лампу типа СИС1071000; расстояние 1 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 I 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 U 70,81 мкВ, затем осуществлен нагрев МЧТ до температуры Т2 2500 К, выходной сиг-, нал ПП составил Uj 83,29 мкВ, истинное значение температуры Т МЧТ определено одновременно с калибровкой ПП из упомянутой системы уравнений ( 2 ). Определение спектрального коэффициента С пропускания фильтра фотометра путем вьшода и ввода фильтра в поток от источника излучения и регистрации соответствующих сигналов спектрометром выделило значение Тт максимального по спектру значения спектрального коэффициента пропускания фильтра, равное С 0,5495. Значение К поправки определено по расчетным таблицам. Табличные значения К получены из выражения ;tA) E,tA) Е(Д1о1Л де Е,{ЛЬ относительная спектральная характеристика поверяемого средства измерений; относительная спектральная световая эффективность для дневного зрения; (Al- относительный спектральный коэффициент пропускания фильтра - функция нормирования максимума г„. Значение К для указанных температур Т и Tj в таблице практически 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 S полученны следующие значения: при температуре МЧТ Т 2400 К S 1 ,U53-10- B/Kg; при температуре МЧТ Т 2500 К S 1,1441 . . Сопоставление полученных числовых значений коэффициента фотометра, полученных согласно предлагаемому способу при различных исходных параметрах измерений, показьшает,что случайная составляющая погрешность определения коэффициента преобразования первичного фотометра не превьппает значения 0,001. При этом систематическая составляющая погрешности способа составляет 0,025, Значения тех же составляющих погрешности по способупрототипу составляют соответственно 0,002 и 0,055, что не удовлетворяет заданному уровню точности, предъявляемому Государственному эталону единицы силы света - канделы. Таким образом, полученные в результате использования предлагаемого способа точностные параметры определения коэффициента преобразования первичного фотометра делают возможным его использование в составе Государственного первичного эталона единицы силы света - канделы.