Радиометр Советский патент 1993 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано преимуществен- биофотометрии и экспериментальной био физике.

все

Известен фотометр 1 для оценки осве- щек ности, создаваемой светом, приходящим из полусферического пространства со направлений, или для определения ос

веиенности, создаваемой светом, падаю

щи

к под некоторым углом, функцией,

обратной косинусу угла падения вплоть до вер (него предела. Содержит светорассёи- вающий купол, расположенный над детектор м и два перекрывающих друг друга элемента. Верхний элемент, не обладающий идеальной пространственной геомет- рие , действует как оптический, рассейватель, а мжний элемент компенсирует недостатки верхнего. Верхний сегмент сделан матовым. В плоскости контакта элементов кольцевая диафрагма экранирует нижний цилиндрический элемент.

Недостатками известного фотометра являются:

не осуществляет определение спектрального состава излучения;

относительно низкая чувствительность прибора в случае измерения пространственной облученности из-за наличия рассеивающей оптической насадки.

Из известных измерителей оптической облученности наиболее близким по технической сущности является радиометр 2. Радиометр имеет сменные спектральные измерительные головки для измерения в трех областях спектра: 220-280; 280-380; 380-710 нм и предназначен для измерения плоскостной облученности, создаваемой искусственными источниками оптического излучения. В комплект прибора входит электронно-измерительный блок и один из трех вариантов сменных измерительных головок для измерения облученности: в области УФ- С(220-280 нм) с магниевым фотоэлементом Ф-29, в обл. УФ-АБ(280-380 нм) с сурмяно(Л

С

х|

чэ

(л

to

XI

ю

цезиевым фотоэлементом Ф-26 светофильтром и косинусной насадкой или со сферическим фотоэлементом Ф-27, в фотосинтетически активной области спектра (380-710 нм) с фотоэлементом Ф-25, светофильтрами и косинусной насадкой. При измерении в УФ области спектра верхние пределы составляют 2,5 10 и 50 Вт/м, при измерении фото- синтетиче.ски активной радиации (ФАР) верхние пределы равны 100 и 500 Вт/м. Питание прибора от сети 220В.

Известный радиометр работает следующим образом.

Интегральный световой поток падает на одну из сменных спектральных измерительных головок, подключенную к электроизме-1 рительному блоку. Часть энергии излучения, соответствующая спектральному интервалу спектральной измерительной головки, реги стрируется головкой, вызывая на ее выводах электрический сигнал, пропорциональный облученности в данном спектральном диапазоне. Электрический сигнай с выхода спектральной измерительной головки усиливается и измеряется измерительным прибором в электронно-измерительном блоке. При необходимости измерения облученности в другом спектральном интервале спектральная измерительная головка заменяется на другую и измерение, повторяется. Для измерения прбстранЁтв нной облученности примёня- ется головка со сферическим элементом, работающим только в области 280-380 нм. Однако в целом ряде случаев, например при измерении облученности растений в парниках, теплицах при рассеянном естественном и/или распрёделймомискусственном освещении требуется измерить пространственную освещенность во всех измеряемых спектральных диапазонах. Принципиально возможно прибором ИНО-1 измерить пространственную облученность в оставшихся каналах, но с применением сферических насадсж.

Однако, применейие насадок исключает одновременное измерение пространственной облученности в требуемых спектральных диапазонах, т.к. установленные рядом спектральные измерительные головки будут виньетировать друг друга, что внесет ошибку в измерения.

Недостатком известного радиометра является невозможность измерения, в том

числе и одновременного, пространственной облученности во всех имеющихся спектральных диапазонах.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения, в том числе и одновременного, пространственной облу- ченности в измеряемых спектральных диапазонах.

Поставленная цель достигается тем, что

в известный радиометр, содержащий первую, вторую и третью спектральные приемные головки для измерения плоскостной облучённости, дополнительно введены по две первых, вторых и третьих спектральных

приемных головки и три сумматора, причем одноименные спектральные приемные головки расположены осесимметрично под углом 70 к оси устройства вне поля зрения остальных головок, выходы одноименных

спектральных приёмных головок соединены с вхбдами одного из сумматоров, выходы сумматоров соединены с электронно-измерительным блоком,.

Для пояснения формирования .равно-.

мерной полусферической диаграммы направленное™, при наличии которой измеряется пространственная облученность, приводится теоретический расчет диаграммы направленности устройства, состоящего из

трех спектральных приемных головок, имеющих косинусные угловые диаграммы, расположенных под углом у к оси устройства.

На фиг. 1 изображена система координат (X, Y, Z), в центре которой расположена

спектральная приемная головка таким образом, что нормаль к ее чувствительной площадке лежит в плоскости XOZ и образует с осью Z угол р . Направление прихода излучения задается углами в и а , где б-угол

между направлением .прихода луча и осью Z; а-угол между проекцией направления прихода луча на плоскость XOY и осью X, Угол у между нормалью к спектральной приемной головке и направлением прихода луча

определяется по теореме косинусов для сферического треугольника ABC из соотношения

cos у- cos dcoscp + sin 0sin ( . Исходя из этого функцию диаграммы направленности такого устройства на участке О в 90°, 0 а 60° можно аналитически

записать

Цел1 Изобретение относится к фотометрии, изобретения - увеличение точности измерений. Цель изобретения достигается . 2 , тем, что радиометр содержит девять приемных головок, относящихся к трем спектральным диапазонам, Каждые три приемные головки, относящиеся к одному спектральному диапазону, расположены осесиммет- рично под углом 70° к оси устройства вне поля зрения остальных приемных головок. Выходы этих приемных головок соединены с входом соответствующего сумматора. Выходы трех сумматоров, каждый из которых содержит информацию о пространственной облученности в соответствующем спектральном диапазоне, подключены к элёхт- ронно-измерительному блоку. 3 ил.

созу(в,р,а)

90°

о° а зос

f(0,p.a)(e,p.a)+cosy(e,p,K/3-a) .

9о°«9 б г cosy(0.y3,a) + cosy(0,y, л/з - а) + со&у(в.р.л/з -а)

,

90°

о° а зос

на во

мь

где $1,6%: йог связаны соотношениями

cos у (9, р, я/3 - а) 0; cos у ( ,у , лг/3-f а ) 0.

Для наглядности рассчитанная диаграмма направленности изображена на фиг. 2. нализ функции Р(в,р,а ) показывает, что она имеет локальные максимумы и мини чумы, величины которых зависят от угла слона спектральных измерительных голоОпределим неравномерность диаграм- направленности как функцию

(3(У) ,

гглах - г mln

гд Ртах - наибольший из максимумов; : Fmin - наименьший из минимумов.

Результат расчета функций 5 (р) показан на фиг, 3 в виде графика, из которого видно, что угол р 70° является оптимальным, неравномерность составляет 17%. При измерении пространственной облученности таким устройством происходит пространственное интегрирование

Епр /F (y.a)dEn , : а) . . : - .....-V ....-;-.. где Епр - пространственная облучённость; dEn - нормальная облученность создаваемая элементом источника света на площадке, расположенной перпендикулярно и

на травлен но на этот элемент в исследуемой то ке пространства.

Заявляемый радиометр отличается:от прзтртйпа следующими существенными признаками. ; . - -г;

Наличие дополнительно введенных двух первых, вторых и третьих спектральных прием -1ых головок, измеряющих каждая в отдельна ;ти плоскостную облученность. Данный признак дает возможность при определенном расположении приёмных головок (признак 3) сформировать полусферическую ди а грамму направленности каждого из споктральных каналов. Спектральные радиометрические головки могут быть выполнены как в прототипе или в целях уменьшения габаритов можно использовать фоторези- на основе сульфида свинца, например ФР-СС-138 с фильтром из УФ стёкла и кое инусной корригирующей насадкой (220- 28(1 нм), сульфида кадмия СФ2-18.СФ2-19 (28 D-380 нм) и фоторезисторы ФСК-1 ...ФСК- 6 (380-710 нм)также с фильтрами и косинусной ко ригирующей насадкой. В большинстве случаев удовлетворительную косинусную диаграм,7

932726

му (погрешность 10%) можно получить путем матирования одной или двух поверхностей спектрального фильтра,

Наличие трех сумматоров, каждый из 5 которых своими входами связан р выходами радиометрических приемных головок, а выходами с электронно-измерительным блоком. Данный признак позволяет суммировать сигналы с различно ориентированных в про10 странстве приёмных головок. Сумматоры могут быть выполнены на базе операционных усилителей.

Электронно змерительный блок может быть выполнен как в прототипе, но с

15 переключением каналов или с тремя независимыми каналами регистрации.

Расположение одноименных спект . ральных приемных головок бсесимметрич- но под углом 70° к оси устройства вне поля

20 зрения остальных головок. Данный признак неизвестен из других технических решений, позволяет получить оггтймальвую (в смысле равномерности) диаграмму направленности каждого спектрального канала, причем

25 наличие измерительных головок соседних спектральных каналов не Оказывает влияния на равномерность диаграммы направленности, т.к. измерительные головки находятся вне поля зрения друг друга. .

30 Таким образом существует отличительный признак, неизвестный из других технических решений, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

35 На фиг. 3 представлен общий вид радиометра, на котором обозначены; корпус 1, радиометрические голов кй 2, сумматоры 3, электроизмерительный блок 4.

Одноименные спектральные измери40 тельные головки 2 расположены осесимметричНо под углом 70 к оси устройства вне поля зрения соседних головок; вйходы одноименных головок подключены к входам сумматоров. Выходы сумматоров соедине45 ны с электронно-измерительным блоком.

Предлагаемый фотометр работает следующим образом.

Излучение (рассеянное или создаваемое распределенными источниками), прихо50 дящее со всех сторон из полусферы, поступает на приемные площадки спектральных измерительных головок 2. За счет фильтров и спектральных характеристик применяемых приемников излучения каж55 дая спектральная измерительная головка регистрирует излучение только определенного участка спектра. Электрические сигналы от одноименных спектральных измерительных головок складываются а сумматорах 3, на выходах которых появляется электрический сигнал, за счет равномерной диаграммы направленности пропорциональный пространственному интегралу от всех нормальных облученностей в данной точке, который является пространственной облученностью. Электрические сигналы от каждого сумматора поступают в электронно-измерительный блок 4, где происходит измерение электрического сигнала измерительным прибором. В случае необходимости измерения пространственной облученности в сфере измерения производятся два раза с разворотом фотометра на 180° с последующим суммированием результатов измерений.

Формул а и зобретения

Радиометр, содержащий первую, вторую и третью приемные головки для измерения плоскостной облученности в трех спектральных диапазонах и электронный измерительный блок, о тли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения точности изме- рения, он дополнительно содержит по две первых, вторых И третьих приемных головки

г ,--:. .-- . : - / ./. :- : ..-.

0

5

Для измерения плоскостной облучённости достаточно произвести измерения с закрытыми двумя головками измеряемого диапазона.

Таким образом введение в радиометр дополнительных спектральных измерительных головок и сумматоров, а также осесим- метричное расположение головок под углом к оси устройства дает возможность измерять пространственную облученность.

Использование данного устройства позволяет унифицировать измерительный прибор, повысить удобство в измерении пространственной облученности.

и три сумматора, причем приемные головки, относящиеся к одному спектральному диапазону, расположены осесимметрично под углом 70° к оси устройства вне поля зрения остальных головок, выходы приемных головок, относящихся к одному спектральному диапазону, соединены с входом соответствующего сумматора, а выходы сумматоров подключены к электронному измерительному блоку.

Фиг. 2

#ш