Фотометрическое устройство Советский патент 1985 года по МПК G01J1/04 

1 Изобретение относится к устройствам для измерения светотехнических величин, например поглощения света в жидких или газообразны поглощающих средах. Известно устройство ij для из мерения показателя поглощения,вьто ненное в виде заполненного измеряе мой средой фотометрического шара. Благодаря многократному отражению света от стенок шара при высоком значении альбедо при диффузном отражении от стенок шара увеличивае ся путь луча в среде, а главИое освещенность стенок шара связана с ослаблением луча, происходящим лишь за счет чистого или истинного поглощения, ибо рассеянные потоки вновь попадают на стенки. При зтом освещенность шара Е связана с освещенностью Е, первоначально созданной прямым источником, соотношениемОднако стенки шара нестабильны и со временем их альбедо меняется. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотометрическое устройство, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шара и приемники излучения. В шар вводятся светопоглощакяций элемент и светоотражающая заслонка. По отношению Е/ЕО можно судить наскольк изменилось f и, перемещая заслон ку, менять , восстанавливая не обходимое значение этой величины. Измеряя в дальнейшем величину E/Eo при заполнении шара исследуемым веществом можно вычислить коэффициент его поглощения либо на основе теории, либо предварительно прокалибровав прибор, так как изме ряемая величина Е/ЕО однозначно свя зана с коэффициентом поглЪщения. C2 Однако восстановление заданной величины перемещением заслонки не может быть вьшолнено во время хода эксперимента, т.е. когда исследуемым веществом заполняют шар. Действительно, в зтом случае величина Е/ЕО уменьшается из-за оседани вещества на стенках камеры и поглощения излучения в веществе, запол нившем шар. Движение же заслонки 6 должно осуществляться лишь, с целью компенсации изменения отражательной способности шара. При исследовании большого класса поглощающих веществ на стенки шара после его заполнения немедленно начинает отлагаться осадок, а если вещество агрессивно, то отражательная способность шара меняется вследствие химических реакций. Таким образом, измеренная величина Е/Е не позволяет определить искомое значение коэффициента поглощения и действительное значение ф .Даже если процесс оседания происходит медленно, результаты содержат неопределенные ошибки. Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в фотометрическое устройство, содержащее фотометрический шар, диффузньй источник излучения в центре шара и приемники излучения, в фотометрический шар герметично введены три световода, соединенных с приемниками, при этом входной торец первого световода расположен . вблизи стенки шара и обращен к стенке, входной торец второго расположен вблизи источника излучения и обращен к нему, причем апертура этого световода не больше поперечного сечения источника, а входной торец третьего световода расположен вблиэи стенки шара и обращен к источнику. Измерение параметров устройства производят при незаполненном веществом шаре. После его заполнения определяют отношение сигнала от первого световода ко второму и от второго к третьему. До полученному отношению судят как об альбедо шара, так и о коэффициенте поглощения исследуемого вещества. На чертеже изображена схема устройства . В фотометрический шар 1, стенки которого представляют диффузный рассеиватель с высоким альбедо, помещен в его центре источник 2 света с баллоном из молочно- «атового диффузно рассейваюп го материала, линейный размер которого много меньше радиуса шара ( . Внутрь шара введены три световода 3-5, Входяой торец световода 3 расположен 3 вблизи стенки шара и обращен к ней входной торец световода 5 также расположен вблизи стенки шара, но обращен к источнику, а входной торец световода 4, обращенный также к источнику света, расположен вбли зи последнего. Радиусы световодов должны быть много меньше R , но много больше радиуса исследуемых частиц (если, например,шар заполнен аэрозолем . или гидрозолем). Апертура световодов должна удовлетворять следующему условию: площадка источника, охватываемая опертурой световода 4 должна быть не больше поперечной площади молочно-матового баллона источника. Входные торцы световодов 3-5 подведены к соответствую щим приемникам излучения 6 - 8. Св таводы пропущены сквозь стенки шар при условии соблкдения герметичности. Стенки шара покрываются веществом с заранее известным значением альбедо , которое равно отношению потока, диффузно отраженного о данной площадки, к потоку, падающему на нее. Включив источник 2 при (т.е. не заполненном поглощающим веществом) шаре, снима три отсчета интенсивностей, воспри нимаемых световодами 3 - 5 и равных соответственно J, 3,j. и J личина Л пропорциональна потоку с та отраженного от некоторой площад ки шара Ф , величина Л - потоку Фз , падающему на нее, а 3 - п току 4j , идущему непосредственно f от источника света. Таким образом, K,J. ф.к,л,, ,:,,, гдеК,Д.К коэффициенты пропорциональности. По определению, альбедо Ф отсюда К J -J -зг-Л Это позволяет найти коэффициент Л Зияя с равный 2 Зная , можно, в дальнейшем, по отсчетам 0 и 2 н ти значения альбедо стенок шара f С другой стороны, заранее зная альбедо р , можно найти и соответствукнций коэффициент для опреде ления величины Е/Ер, которая характеризует усиление светового пот ка благодаря многократному отраже64нию от стенок шара. Действительно, отсчет 2 пропорционален освещенносЛ - Beти на стенках шара Е , а личине EJ, т.е. освещенности от. источника прямого излучения. Таким- образом, имеем Б KJJ , , , где | и к коэффициенты пропорциональности. Отсюда g к 2 -I известная, заранее заданная величина. Jj и з находят путем измерений. Зная величину С , можно в дальнейшем по отсчетам Jj -з определить отношение Е/Е , необходимое для того, чтобы судить о поглощающих характеристиках исследуемого вещества. После калибровки прибора и нахождения коэффициентов С и сшар заполняется исследуемым веществом и производится одновременная регистрация света, поступающего на приемники от всех трех световодов, т.е. измеряются сигналы J-,, 2. Лопределения -величины р необходимо найти отношение для определения Е / ЕО - отношение Предлагаемое устройство позволяет. находить указанные отношения несмотря на то, что в процессе измерений на торцы световодов и баллон источника света происходит осаждение части исследуемого вещества. Действительно, осаждение- его на баллон приводит к одинаковому ослаблению как прямого, так и многократно отраженного света, что не сказывается на величине отношения потоков. Ослабление же на торцах световодов также одинаково, ибо они идентичны по конструкции и диффузные потоки заполняют полностью их апертуру. Таким образом, и в данном случае величина отношений и не изменяется при изменении прозрачности торцов. Итак, зная заранее Си С и J, и Л произведя отсчеты D ходим альбедо .4 21 о1ношение освещенностей полным « потоком Е к освещенности стенок шара только прямым источником f Ci. W . :. S Последнее соотношение позволяет определить коэффициент поглощения в щества k , который связан с F/E формулой . Е (2R,K) 4R|K2 Для получения формулы (5) выдел малый элемент площадки «JS шара и рассмотрим, какова его яркость и освещенность от прямого источника, затем найдем эти величины от потока, отраженного от стенок шара отдельно в первом порядке, во втором и т.д. , Пусть Е - освещенность dS толь ко прямым источником излучения при отсутствии в шаре поглощающего вещества. Тогда при наличии последне го эта освещенность в соответствии с законом Бугера-Ламберта станет равной Ец е , где k - коэффицие поглощения ( рассчитанный на единиц пути), RO - радиус шара. Такова освещенность любой площадки стенки шара, и если ее альбедо равно р то яркость BQ в нулевом порядке, т.е. в результате освещения только прямым источником, определяется из формулы -. -R..K е ° , (71 Диффузно отраженный от всех элементов поверхности шара свет, имеющий яркость B(j , частично поступает вновь на элемент dS , Для того чтобы вычислить эту освещенность, выделяют произвольный элемент на поверхности dS, расположенный на расстоянии R от о)5 и видимый под маль1м углом du . Пусть между диаметром 2 RO , проведенным от cJS чере источник и R, угол равен v . Тогда телесный угол «Jw равен sinvdvcft , где dd. - азимутальный угол в сферической системе координат (полярная ось направлена вдоль диаметра, нормально cJS , начало координат в с/ 6 Освещенность площадки ds от плодки dS, может быть выражена форлой : -K.Q -КЙ ..e. ) R sinv/eosvdvolct. (8} Освещенность всей поверхностью а площадки eJS равна интегралу г- В ginVCOSVofvotoie Учитывая, что Ыо6 2Ж, f R -2RgCosv, d ft(,«consi, f -2R.. s2H6 еsiovcosvofoi . (to) Интеграл, стоящий в правой час(10), равен -2КлЧ -2Rj,Kcosv1-е еSinvcosv cJv Обозначив эту величину через 42R,K.1} ишем согласно (10) выражение для ещенности элемента c/S в первом ядке в виде Е. Таким образом, освещенность элемента прямьм источником и одновременно отраженным излучением равна-KR coev Eg,e JJTB.c Точно также соответственно формуле (12), будут в первом порядке освещены все остальные элементы шара. И их яркость в первом порядке может быть найдена по формуле B,-y-p 2B,V . ИГ Освещая площадку dS , элементы щара, имеющие в первом порядке яркость В , создают освещенность второго порядка Е, расчет которой П54546 аналогичный расчету освещенности ; В ко приводит к вьфажению B,2fC277C. ) Отсюда для яркости площадки dS во втором порядке имеем . Более высокие порядки могут быть рассчитаны аналогично Окончательно, яркость площадки с/Э равная сумме всех порядков, начиная с нулевого,- выражается формулой ,),...,( Сумма членов этого бесконечного ряда ( р 1) равна Переходя к освещенностям и имея в виду формулу (7) и фотометрическо соотношение В ,где В - полная яркость , Е - полная освещенность, находим Е ре 1-2уС, что тором 1-2е () R2 к совпадает с формулами (5) и (6) Изобретение позволяет производить точные исследования коэффициентов поглощения веществ в условиях непрерывного и достаточно быстрого оседания вещества на поверхность шара, лампы и световодов. Аналогичные исследования, проводимые известными устройствами, содержат часто значительные и всегда неопределенные ошибки, и получаемые результаты при этом ненадежны. Изобретение позволяет, например, осуществлять исследования достаточно сильно поглощающих веществ, производить эксперимент длительное время, например при необходимости изучать меняющуюся структуру аэрозоля, при некоторых фотохимических реакциях и т.д.

ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее фотометрический шар, диффузный источник излучения в центре шага и приемники излучения, о тличающееся тем, что, с целью повьшзения точности измерений, в фотометрический шаг герметично введены три световода, соединенных с приемниками, при этом входной торец первого световода расположен вблизи стенки шара и обращен к стенке, входной торец второго расположен вблизи источника излучения и обращен к нему, причем апертура этого световода не больше поперечного сечения источника, а входной торец третьего световода расположен вблизи стенки шара и обращен к источнику. ел 4: СП 4 О