КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при определении основных оптических характеристик светотехнической продукции, излучающей во всем оптическом диапазоне.
v
В распоряжении современного метролога имеются несколько основных методов с соответствующими средствами измерений. Для начала следует напомнить, что основной, и самой важной, фотометрической единицей оптических характеристик излучателей является сила света l (размерность кандела [кд]). Сила света не зависит от расстояния от источника, ее создающего, и является векторной величиной, связанной с направлением излучения:
где Φ - световой поток, [лм]; Ω - телесный угол, [ср].
Интегрирование по функции данной поверхности, образованной векторами с длиной, пропорциональной значению силы света является одним из самых точных методов нахождения светового потока. Интегральный световой поток - это сумма всех элементарных световых потоков, заключенных в объеме фотометрического тела. Сечения фотометрического тела определенными плоскостями с осью в световом центре осветительного прибора образуют диаграммы углового распределения силы света в этих плоскостях, которые часто и помещают в спецификациях или технических условиях как оценочную характеристику пространственного распределения силы света. Данная величина является ключевой в светотехнике, поэтому обозначаемая им физическая характеристика светового прибора является основой как для описания светораспределения такого прибора, так и для расчетов других единиц (угловых характеристик излучения, светового потока, пространственного распределения светового потока и др.) в фотометрии.
Стоит добавить, что угловые характеристики излучения являются также основой для расчетов коэффициентов формы и класса светораспределения осветительных приборов [см. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»], а также оценки работы и разработки параметров оптических систем по данным расчетов пространственного распределения светового потока. Так, например, при расчете линз обязательно учитывается пространственное распределение силы света источника (как и его геометрические размеры), излучение которого подлежит концентрировать, или перераспределять в разрабатываемой оптической системе. Здесь часто бывает важно значение плоского угла излучения, который отражает то или иное значение светового потока, заключенного в определяемых им границах пространственной диаграммы. Как видно из представленных рассуждений, основные фотометрические единицы - сила света и световой поток - имеют общие корни, соответственно, могут быть получены различными метрологическими приемами (как косвенными, так и прямыми измерениями).
Различные методы измерений, имеющиеся в ГОСТ Р 54350-2011, применяются для различных типов источников света; при этом точность измерений единиц и возможность получения сопутствующих характеристик должна определятся точностью (ошибкой) их измерений.
Одним из самых распространенных, традиционных является метод измерения светового потока с помощью сферического интегратора или фотометрического шара. Самый распространенный вариант измерения выполняется по схеме, подробно описанной в [см. ГОСТ Р 54350-2011. «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»; ГОСТ 17616-82. «Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых параметров»]. Для того, чтобы по результатам измерений перейти от фототока к значению светового потока, необходимо обязательно откалибровать сферу с помощью светоизмерительной лампы накаливания потока (СИП), помещаемой на место исследуемого источника (источники для калибровки другого типа спектра излучения и других параметров в настоящее время не легализованы), приписав полученному от ее освещенности значению фототока фотометра паспортное значение потока, измеренное при поверке в соответствующем органе. Однако следует учесть, что лампа СИП представляет собой источник типа «А», поэтому измеряемый источник должен иметь такой же спектр излучения. Любое отклонение от этого условия влечет к резкому увеличению погрешностей. Вторым источником погрешности является направленное излучение образца, опять же, в отличие от калибровочной лампы СИП, приводящее к существенной неравномерности освещенности внутренней поверхности сферы, а значит, к ошибке в измерении фототока.
Другим, не менее распространенным методом измерений фотометрических характеристик, является гониофотометрический. Он считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идеология данного метода состоит в том, что пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, описанные выше, получают путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока, находящихся на одной оптической оси. Таким образом, выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем, при изменении положения второго (вертикального угла положения источника, световой центр которого находится в геометрическом центре вращения относительно фотометра) измеряют диаграмму углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего фотометрического тела. По такой схеме работает гониофотометр так называемой системы фотометрирования С, γ.
Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной координаты источника относительно фотометра.
Подытоживая, точность метода зависит от нескольких основных условий:
- шаг угла поворота;
- корректно выбранное и точно измеренное расстояние фотометрирования;
- соответствие выше названных условий площади окна фотометра;
- правильный выбор диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики;
- уровень соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности спектральной чувствительности глаза V (λ).
Шаг угла поворота определяется стандартом [ГОСТ Р 54350-2011], измеренные с таким шагом диаграммы пространственного распределения силы света оказываются слишком грубо усредненными по соседним точкам и не могут служить качественным материалом для расчетов потока и формирования корректных данных для проектирования. При шаге угла поворота не более 0,02°, и при соответствующем расстоянии фотометрирования, измерения обеспечивают реальное физическое измерение силы света (силы излучения, при условии применения радиометрической головки). Также, для корректного измерения силы света необходимо соблюдение закона «обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую фиксирует фотометр с площадью Sф→0, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния с L→∞ от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра Е [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния - силу света lv [кд]:
2
где i - фототок фотометра; L - расстояние до фотометра; К - коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени соответствия функции видности глаза V(λ) характеристики спектральной чувствительности фотометра. При этом, простой расчет геометрических размеров фотометрических трасс и соответствующих характеристик фотометров показывает, что заявленное физическое разрешение измерения силы света с шагом угла поворота 0,02° обеспечивается при длине трассы порядка 20 м площадь фотометра менее 40 мм. Практика измерений силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а также расчетов светового потока при отклонении от поставленных условий даже в небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом интеграторе, а некорректные измерения узконаправленных источников света искажают расчеты потока в разы. Следует отметить, что метод измерения характеристик источников с помощью гониометра универсален: при соблюдении условий фотометрирования им можно пользоваться для измерений параметров любых источников - протяженных и точечных, монохромных и широкополосных, с любой неравномерностью яркости выходного отверстия, с любой формой пространственного распределения силы света (КСС) и излучающих вплоть до 4 πср. Также при использовании в качестве датчика радиометрической головки возможно измерение указанных выше характеристик источников (в энергетических единицах), излучающих за пределами видимого диапазона. При перечисленных условиях и типах измеряемых источников будут доступны все возможности минимизации погрешности. Интегрирование гониофотометра со спектральными приборами позволяет с обозначенными точностями углов поворота измерять пространственное распределение параметров цветности, что удовлетворяет условиям «стандартного наблюдателя МКО» для дневного зрения и поэтому может корректно использоваться.
За основу при разработке заявленного комплекса средств измерений и, как следствие, принципа его функционирования, взят гониометрический метод измерений параметров любых источников излучения, при этом технический результат, полученный при создании заявленного комплекса, состоит в возможности измерения электрооптических характеристик источников излучения как в лабораторных условиях, так и непосредственно в местах их использования, т.е. при натурных измерениях) вне зависимости от температуры окружающей среды (в диапазоне температур от -40 до +80°С).
Для достижения поставленного результата предлагается комплекс измерения фотометрических, колориметрических и энергетических величин излучения, состоящий из фотометрического узла с фотометрической головкой и установленного с возможностью поворота фотометрического стенда, в котором фотометрический узел снабжен температурным стабилизатором из условия поддержания температуры фотометрической головки в пределах 25°С±5°С вне зависимости от температуры окружающей среды.
Предпочтительные, но не обязательные варианты реализации заявленного комплекса предполагают выполнение температурного стабилизатора с, по меньшей мере, одним, элементом Пельтье; наличие у фотометрической головки бленды на фотометрах для защиты от отраженного излучения, а у фотометрического стенда - датчика угла поворота и трехкоординатного гониометра, при этом бленда фотометра может иметь длину 30±2 см; площадь чувствительной части фотометрической головки соответствует площади круга с диаметром 6-8 мм, что позволяет обеспечить физические измерения силы света (силы излучения) при минимальном угле поворота без усреднения; дистанция между фотометрическим узлом и стендом может быть выполнена из условия измерения источников с различной пространственной диаграммой распределения силы света; комплекс может быть использован для измерения пространственного распределения координат цветности, спектрального распределения, коррелированной цветовой температуры, доминирующих, центроидных и максимальных длин волн, либо для измерения радиометрических характеристик оптического излучения при использовании в видимом диапазоне (что увеличивает точность в 2-4 раза, вследствие отсутствия корригирующего фильтра (под кривую видности) фотометра, который вносит самую большую погрешность в измерения); кроме того, комплекс может служить для измерения фотометрических параметров при различных типах спектра излучения - монохромного, узкого, линейчатого, полосатого, сплошного, неравномерного, либо для измерения различных форм пространственного распределения силы света (силы излучения, от минимально возможного дискрета угла поворота до 4 πср).
Общая схема оборудования заявленного комплекса представлена на рис.1, где следующим позициями обозначены: 1 - фотометр; 2 - фотометрический стенд с гониометром и датчиком угла поворота; 3 - спектрофотометр; 4 - компьютер; 5 - источник питания; 6 - регистратор значений фотометра и угла поворота; 7 - измеритель вольт-амперной характеристики (ВАХ); 8 - вольтметр.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена следующим. Заявленный комплекс подразумевает возможность измерения одними и теми же средствами параметры источников в любом месте (даже при внешнем освещении - коррекция фона расчетом) и в лаборатории, независимо от размера трассы, позволяя получать самые достоверные результаты в виду следующего. Одним из важнейших состояний излучающих приборов, которые необходимо также определять, для успешного их применения, является деградация. Существующие методики определения деградации в лабораторных условиях позволяют определять сроки жизни излучающих приборов. В зависимости от реальных условий эксплуатации и непосредственных мест их использования, такие сроки могут меняться, в связи с чем, становится актуальным измерение параметров излучающих приборов с учетом таких условий. Одной из проблем при измерении параметров в местах использования излучающих приборов, является зависимость параметров приемных устройств от температуры окружающей среды, которая может колебаться в диапазоне от -40°С до +80°С (в качестве примера можно привести лампы железнодорожных семафоров). Наличие в фотометрическом узла заявленного комплекса температурного стабилизатора, содержащего, по меньшей мере, один элемент Пельтье, позволяет в зависимости от выбранного направления протекания электрического тока охлаждать или подогревать поверхность, прилегающую к фотоприемнику, в то время как другая поверхность, наоборот, охлаждается или нагревается. Таким образом, температурный стабилизатор позволяет поддерживать температуру фотометрической головки в пределах 25±5°С, что, в свою очередь, в виду температурных зависимостей фототока в пределах 0,2% на каждый °С позволяет замерять фотометрические параметры термозависимых источников излучения с минимальной погрешностью на открытом воздухе, подобно лабораторным условиям.
В общем виде, оборудование заявленного комплекса может содержать следующие части: Рис 1
- фотометрический стенд, включающий средства измерения и регистрации различных величин, устройства преобразования их сигналов (АЦП, периферийные устройства), высокоточные источники питания, электромеханические установки и вспомогательные приборы;
- аналитический центр;
стенд для измерения спектральных характеристик на основе спектрофотометра Specord S-600;
- устройства обеспечения стабилизированного питания и температурного режима работы источников излучения для реализации необходимых режимов во время наработки образцов с целью исследования деградации параметров излучения.
Оборудование комплекса позволяет выполнять самые сложные измерения и расчеты фотометрических, колориметрических и энергетических величин излучения, получая их с высочайшей точностью.