Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

138-2010, постоянноосуществляетконтактысведущими метрологическими лабораториями мира.

В 2010 г. начались международные сличения в области рефрактометрии COOMET.PR-S3, в которых Лаборатория измерений оптических постоянных веществ ФГУП «ВНИИОФИ» выступает в роли пилотной лаборатории. В сличениях участвуют пять национальных метрологических института – ФГУП «ВНИИОФИ» (Россия), РТВ (Германия), «Укрметртестстандарт» (Украина), AIST (Япония), INRiM (Италия). Сличения завершены, подготовлен финальный доклад для опубликования.

Литература

1.ИоффеБ.В. Рефрактометрическиеметодыхимии, Л.:

Химия, 1974.

2.Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Probst R. Dynamic angle measurement by means of a ring laser // Metrologia, 34. Р. 343–351, 1997.

3.Vishnyakov G.N., Levin G.G., Ziouzev G.N., Lioudomirski M.B, Pavlov P.A., Filatov Yu.V. Standard refractometric

complex based on dynamic laser goniometer. Proc. SPIE,

v.4900, 2002. Р. 150–154.

4.Birch K.P., Downs M.J. An updated Edlen equation for the refractive index of air, Metrologia, 30. Р. 155–162, 1993.

5.Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Корнышева С.В. и др.

Измерение показателя преломления на гониометре в динамическом режиме // Оптический журнал. – 2005. – № 12. –

С. 3–58.

6.Вишняков Г.Н., Корнышева С.В. Обеспечение един-

ства измерений в рефрактометрии твердых, жидких и газообразных веществ // Измерительная техника. – 2005. –

№11. – С. 40–42.

7.Демчук В.Ю., Зайцев И.И. Способ измерения показателяпреломленияоптическогостекла//ПатентФранции№

2057307, Кл. G 01 N 21/41, 1969.

8.Демчук В.Ю. Способ измерения показателя преломления оптического стекла. Авторское свидетельство

№1511647, Кл. G 01 N 21/41, 1987.

9.Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Pavlov P.A., Burnashev M.N., Probst R. Dynamic ring laser goniometer // Optical Gyros and their Application, RTO – AG – 339, May 1999, 12-1.

10.Bakin V.V., Ziouzev G.N., Lioudomirski M.B. Laser gyros with total reflection prisms // Optical Gyros and their Application, RTO – AG – 339, May 1999, 6-1.

Г.Н. Вишняков

Историческая справка

Инфракрасная область электромагнитного спектра, лежащая между видимым диапазоном и диапазоном СВЧ – в интервале длин волн 0,75–1000 мкм, представляет собой большой интерес как с научной, так и практическойточекзрения. Этообъясняется, во-первых, тем, что молекулярные спектры большинства веществ находятся в инфракрасной области электромагнитного излучения, и это делает инфракрасную спектроскопию мощным инструментом исследований, во-вторых, тем, чтоосновнаядолятепловогоизлученияокружающихнас телприходитсянаинфракрасныйдиапазон, чтопозволяет широкоиспользоватьегоприизучениипереносатеплав рядепрактическихзадач. Измерениеэнергииимощности теплового излучения в дальнейшем получило название радиометрии инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи были открыты Уильямом Гершелем в 1800 г. На протяжении ХIX в. шло исследование этой области спектра. С начала ХХ в. с появлением чувствительных приемников для обнаружения и измерения инфракрасного излучения усиливается интерес к применению инфракрасных приборов для решения практических проблем. Развивается инфракрасная спектроскопия – инструмент исследования взаимодействия излучения с веществами и идентификации различных химических соединений, которая превратилась в самостоятельную область науки и в данной статье не рассматривается. Разрабатываетсяпрецизионнаярадиометрия, создаются приборыдлярадиометрическогоизмерениятемпературы

звездипланет, дляизмерениясолнечнойпостоянной, для военных целей и т. д.

Настоящее свое развитие инфракрасная техника получила в 30–40-х гг. ХХ столетия с появлением высокочувствительных приемников инфракрасного излучения

иустройств, преобразующихинфракрасноеизображение

ввидимое, чтосущественнорасширилограницыиспользования инфракрасного излучения [1–6].

Повышение требований к точности энергетических исследований излучения Солнца, теплового состояния Земли и космических тел, теплового баланса человека

вусловиях космоса и др. привело к тому, что проблема надежности радиационных измерений стала проблемой метрологии [7].

ВНациональной физической лаборатории Великобритании Дж. Гилдом с помощью созданного им абсолютного приемника было проведено косвенное сравнение радиационных шкал, принятых Национальным бюро стандартов США и Национальной физической лабораторией. В 1956 г. Международная комиссия по радиацииввелаМеждународнуюпиргелиометрическую шкалу. В Канаде Бедфордом был создан низкотемпературный эталон интегральной радиации в виде модели абсолютно черного тела [4].

ВСоветскомСоюзеработыпосозданиюобразцовых средств измерений в области актинометрии и радиометрии были начаты А.Н. Бойко в 1935 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ). Одновременно в Государственном оптическом институте были сделаны

первые шаги по разработке высокочувствительных приемников инфракрасного излучения [8]. К 1950 г. А.Н. Бойко создал образцовый абсолютный радиометр, основанныйнаметодезамещения, иосуществилпервые международные сличения.

РаботамиА.Н. Бойкобылизаложеныосновыдлявоспроизведения в Советском Союзе радиационной шкалы на базе абсолютного приемника. Это направление было затем продолжено В.Е. Карташевской.

Вначале 60-х гг. А.М. Броунштейн (Главная геофизическая обсерватория в Ленинграде), Г.Ф. Ситник (Институт им. П.К. Штернберга), И.И. Киренков (ВНИИМ) создают ряд высокоточных источников в виде модели абсолютно черного тела [7].

По мере развития инфракрасной техники увеличивается число предприятий и организаций, применяющих для поверки радиометрической аппаратуры, в том числе приемники излучения, источники в виде моделей абсолютно черных тел (АЧТ). В большинстве случаев характеристики излучения этих моделей рассчитывались теоретически и не проверялись экспериментально. Разнообразие конструкций АЧТ, различные условия их эксплуатации и др. приводили к несопоставимым результатамизмеренийиувеличениюрасходов, связанных

сдополнительными дорогостоящими исследованиями. Поэтомувсталвопросорешениипроблемыметрологическогообеспечениябыстроразвивающейсяинфракрасной (ИК) техники.

В1964 г. под руководством проф. А.Н. Гордова во ВНИИМ были начаты подготовительные работы по обеспечениюединстваизмеренийэнергетическиххарактеристик тепловых источников ИК-излучения. В 1965 г. была создана лаборатория радиометрии ИК-излучения. Впериод1965–1990 гг. влабораторииподруководством В.В. Бабушкина были созданы эталонные излучатели, спектрорадиометрическаяаппаратурадляисследования приемниковИК-излучения, излучательнойспособности материалов и ряд других эталонных установок, а также заложены методические основы метрологического обеспеченияизмеренийхарактеристиктепловогоизлучения

вИК области спектра.

Врезультатепроведенныхработв1974 г. былсоздани утвержден Госстандартом первый в СССР государственныйспециальныйэталонединицыэнергетическойяркости дляинфракрасногоизлучениянаосновефазовогоперехода олова – реперной точки Международной температурной шкалы (МТШ), а также государственный стандарт на государственнуюповерочнуюсхему, регламентирующую порядокпередачиразмераединицыотэталонакрабочим средствам измерений энергетической яркости тепловых источников с температурой от 100 до 500 °С.

Начиная с 1969 г. во ВНИИОФИ началось создание высокотемпературных моделей АЧТ с системой автоматического регулирования температуры и абсолютных радиометров, включая криогенные радиометры, на базе которых создан целый ряд эталонов в области оптикофизических измерений [9, 10, 11].

Всвязи с существенным изменением качественного состава рабочих средств измерений, в число которых, кроме излучателей, вошли приемники и радиометры,

атакже повышением требований к точности в более

широком диапазоне измерений, в 1979 г. был создан новый государственный специальный эталон единицы энергетическойяркостидляинфракрасногоизлученияи пересмотрен государственный стандарт на поверочную схему [12].

Вновь созданный эталон опирался уже не на одну, а на три реперные температурные точки, действующие на основефазовыхпереходовчистыхвеществ– воды, оловаи цинка. Такимобразом, впервыевСССРбылареализована шкала энергетической яркости по полному излучению. Поверочнаясхемабылараспространенанасредстваизмеренийэнергетическойяркостиисилыизлучениятепловых источников с температурой от 220 до 900 К.

В период с 1985 до 1993 гг. с целью обеспечения единства измерений энергетических характеристик тепловых источников с температурой от 220 до 1300 К созданы вторичные эталоны энергетической яркости и силы излучения. В связи с появлением к началу 80-х гг. измерительных приборов ИК-техники, имеющих зачастуюдвойнуюградуировку– поэнергетическойяркости итемпературе, частьизутвержденныхвторичныхэталоновявляютсятакжевторичнымиэталонамитемпературы по инфракрасному излучению [13].

Вторичными эталонами оснащены ведущие предприятиявобластиизготовленияиэксплуатациисредств ИК-техники.

К 2000 г. создан новый комплекс эталонной аппаратурысцельюрасширениядиапазонаизмеренийифункциональных возможностей государственного эталона, которыйутвержденв2001 г. вкачествегосударственного первичного эталона единицы энергетической яркости инфракрасного излучения. Новый эталон включает семь эталонных излучателей в виде моделей АЧТ при температурах реперных точек Международной температурной шкалы МТШ-90 (тройная точка воды, точка плавления галлия и точки затвердевания индия, олова, цинка, алюминия и меди), что соответствует диапазону энергетической яркости от 100,39 до 61283 Вт/(ср·м2). Необходимость выполненных работ была продиктована возросшимисовременнымитребованиямикповышению точности измерений энергетических характеристик излучениявтакихприоритетныхобластях, какэнергосбережение, медицина, экология и т. д.

Физические основы измерений, используемые закономерности, связь с физическими константами

истабильными физическими явлениями

иэффектами

Для рассмотрения явлений излучения используются положения термодинамики, которые являются основой концепции идеального теплового излучателя. Существуют излучающие поверхности, характеристики излучения которых точно определяются, если известна их температура. Эти поверхности являются источниками излучения с непрерывным спектром и известны как идеальныетепловыеизлучатели, илиабсолютночерные тела, излучательнаяспособностькоторыхравнаединице. Характеристики излучения АЧТ подчиняются законам

Планка, Стефана-Больцмана, а также Кирхгофа, РэлеяДжинса и закону смещения Вина [1–3].

В основе методов преобразования энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые можно использовать для измерений, лежат явления, возникающие при взаимодействии поля излучения с веществами. Припадениинавеществопотокаизлучения определенное количество энергии им поглощается и вызывает некоторое изменение его состояния, которое можетбытьзарегистрировано. Обычнотакоеизменение пропорционально энергии поля излучения или мощности потока излучения, падающего на вещество. В этом отношении преобразователи инфракрасного диапазона аналогичны преобразователям видимого, оптического диапазоначастотиотличныотрадиоприемников, сигна- лыкоторыхпропорциональнынапряженностиполя[1–3].

Основные понятия, термины и определения, единица физической величины

Абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение, его излучательная способность, называемая коэффициентом излучением, равна единице.

Коэффициентизлучения– отношениеизлучательной способности данной поверхности и идеального излучателя – абсолютно черного тела.

Потокизлучения– мощность, излучаемаяповерхностью или падающая на поверхность (Вт).

Поверхностная плотность потока излучения – мощность, излучаемая единицей поверхности источника внутри полусферы (Вт/м2).

Энергетическая яркость – мощность, излучаемая единицейповерхностиисточника, внутриединицытелесного угла (Вт/(ср·м2).

Силаизлучения– мощность, излучаемаяисточником, в единице телесного угла (Вт/ср).

Единицей физической величины, воспроизводимой государственным первичным эталоном единицы энергетической яркости инфракрасного излучения, является энергетическая яркость.

Информацияоточныхметодахисредствах измерения, принцип действия и классификация

Мощность лучистых потоков в ИК-области спектра, какправило, измеряютспомощьюрадиометровиспектрорадиометров, специальныеустройствакоторыхпозволяют сравниватьсигнал, генерируемыйприемникомизлучения, при наведении его на объект исследований, с сигналом, возникающимвнемпривизированииопорногоисточника излучения, расположенного в радиометре или вне его.

В зависимости от решаемых задач радиометры градуируют с помощью протяженных или точечных источников, вкачествекоторых, какивкачествеопорных, чащевсегоиспользуютмоделиАЧТ, работающиелибов определенном диапазоне температуры, либо в постоянных температурных точках.

Радиометры представляют собой оптико-электрон- ные приборы, работающие по полному, интегральному излучению, вотличиеотспектрорадиометров, работающихпоизлучению, какправило, втакназываемыхокнах прозрачности атмосферы.

Одним из наиболее важных элементов любой инфракрасной системы является приемник излучения, параметрами и характеристиками которого во многом определяетсяпринципдействияинадежностьрезультатов измерений, получаемых с помощью системы.

Области применения, роль измерений физической величины в науке и промышленности

Если учесть, что свыше 90 % энергии теплового излучения приходится на инфракрасную область спектра, то становится понятным, почему приборы ИК-техники нашли самое широкое применение для научных исследований и решения многих практических задач радиометрическими методами. Среди них можно указать изучение теплового баланса Земли как планеты, раннюю диагностикуопухолевыхзаболеваний, оценкусостояния окружающейсреды, космическиеисследования, разведку полезных ископаемых, решение задач измерения тепловых потерь и многое другое, включая решение задач оборонного значения. [1–8, 12, 14, 15]

В качестве конкретных примеров применения ИКтехники можно привести следующие.

Как известно, погода по самой своей природе носит глобальный характер и прогноз ее крайне необходим в целом ряде областей человеческой деятельности. Сюда в первую очередь относятся сельское хозяйство, связь и транспорт. Радиометрическиеприборы, устанавливаемые на спутниках – разведчиках погоды – позволяют изучать рольсолнечногоизлучениянапогоду, соотношениемежду тепловымбалансомЗемлииклиматом, атакжедолговременное влияние этих факторов на погоду Земли и т. д. и тем самым обеспечить долгосрочные прогнозы погоды.

Не менее важную роль играют такие приборы ИКтехники последнего поколения, как тепловизионные. Они позволяют визуализировать тепловые картины исследуемых объективов по их собственному излучению в ИК-области спектра и измерять распределение температуры и энергетической яркости на поверхности этих объектов. При этом удалось создать аппаратуру, позволяющуювидетьмалоразмерныеобъекты, температура которых отличается от температуры окружающей средынасотыеидажетысячныедолиградуса[16]. Если учесть, что тепловизионные приборы не оказывают специфических нежелательных воздействий на объект и обслуживающий персонал в отличие, например, от рентгеновской аппаратуры, то становится объяснимым их широкое и эффективное использование в медицине. Вчастности, такиеприборынашлиширокоеприменение для диагностики опухолевых заболеваний, заболеваний центральных и периферических сосудов, а также в области гастроэнтерологии, нейрохирургии и т. д. [13]

С помощью сканирующих радиометрических и тепловизионныхсистем, устанавливаемыхнаоколоземных

и космических аппаратах, решаются, например, задачи разведкиполезныхископаемых, обнаружениялесныхпожаров, пожароввусловияхчрезвычайныхситуацийидр.

В последние годы радиометрические методы стали применяться для целей технического аудита тепловых потерь излучением в тепловых сетях и коммуникациях, а также в жилых и производственных зданиях и сооружениях.

ПримерыпримененияИК-техники, подтверждающие большуюрольизмеренийэнергетическиххарактеристик тепловыхисточниковвИК-областиспектра, вчастности, энергетической яркости исилыизлучения, длярешения научных и прикладных задач далеко не ограничиваются приведенными.

Система обеспечения единства измерений (современное состояние)

Основой системы обеспечения единства измерений

вобласти радиометрии ИК-излучения является государственная поверочная схема для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников. Во главе поверочной схемы стоит государственный первичный эталон единицы энергетической яркостиинфракрасногоизлучения[7, 12]. Принципдействия эталона основан на воспроизведении постоянных уровней энергетической яркости эталонными излучателями в виде моделей АЧТ при температурах фазовых переходов чистых веществ – реперных точек МТШ-90.

Передача размера единицы от государственного первичного эталона вторичным эталонам осуществляется с помощью радиометров-компараторов методом непосредственного сличения энергетической яркости излучателей вторичного и государственного эталонов. В качестве первичных эталонов используют излучатели

ввиде моделей АЧТ с переменной температурой в диапазоне от минус 50 до плюс 1000 °С.

Размеры единиц энергетической яркости и силы излучения, величины которых однозначно связаны между собой, от вторичных эталонов через рабочие эталоны в соответствиисгосударственнойилокальнымиповерочнымисхемамипередаютсярабочимсредствамизмерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой от минус 50 до 1000 °С. В качестве рабочих средств измерений в настоящее время используются излучатели протяженного и полостного типаввидемоделейАЧТ, радиометрические, спектрорадиометрическиеитепловизионныеприборыисистемы, атакжеприемникиизлучения, включаяматричныефотоэлектронные устройства.

Государственный первичный эталон единицы энергетической яркости инфракрасного излучения хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Вторичными эталонами оснащены предприятия и организации, ведущиевобластисозданияиэксплуатации средств ИК-техники.

Методы и средства калибровки эталонных излучателей в виде моделей АЧТ с температурой от минус 50 до плюс 3000 °С регламентируются государственным стандартом РФ (ГОСТ Р 8.566-2012).

Энергетическая яркость эталонных излучателей в виде моделей АЧТ при температуре, фиксированной фазовымипереходамичистыхвеществ– реперныхточек МТШ-90, определяется теоретически в соответствии с законом Стефана-Больцмана из уравнения

B = π1 εσ T 4 ,

где ε – излучательная способность модели АЧТ; σ – постоянная Стефана-Больцмана; T – температура фазового перехода чистого вещества.

Погрешность воспроизведения единицы энергетическойяркостиэталоннымиизлучателямиопределяется погрешностями величин, входящих в уравнение. К систематическим погрешностям относятся погрешности определениязначенияпостояннойСтефана-Больцмана– фундаментальной физической константы и излучательной способности излучающей полости – модели АЧТ.

К случайным погрешностям относится погрешность воспроизведения температуры фазового перехода с учетом влияния колебаний атмосферного давления и температуры окружающей среды.

Расчет показал, что случайная погрешность воспроизведенияединицыэнергетическойяркостиэталонными излучателями, выраженная средним квадратическим отклонением(СКО) результатаизмеренийнепревышает 1·10-3 принеисключеннойсистематическойпогрешности неболее1·10-3. Суммарнаянеопределенностьэталонане превышает 1,1·10-3 отн.ед.

Погрешностьпередачиразмераединицы, выраженная СКО результатов измерений, не превышает 1·10-3 отн. ед. и определяется в основном ограниченным порогом чувствительности радиометров-компараторов.

Калибровкаизлучателейпротяженногоиполостного типа осуществляется путем сличения их энергетической яркости с энергетической яркостью излучателя большей точности в соответствии с поверочной схемой (ГОСТ8.106-2001) спомощьюрадиометров-компарато- ров методом равных сигналов.

Калибровка радиометрических приборов и систем всех типов, а также приемников и фотоприемных устройств осуществляется методом прямых измерений с помощью излучателей в виде моделей АЧТ в соответствии с государственной поверочной схемой

(ГОСТ 8.106-2001).

Динамика и перспектива дальнейшего развития радиометрии ИК-излучения

Какизвестно, законСтефана-Больцманаустанавливает зависимостьповерхностнойплотностипотока, излучаемогомодельюАЧТ, сегоабсолютнойтемпературой. Всвязи сэтимследуетотметитьвозрастающуюрольрадиометрии ИК-излучения в последние годы, что связано с широким применением средств ИК-техники для измерения температуры в области низких значений и сближением ее с пирометриейвпланесозданияновыхметодовпостроения температурной шкалы ниже точки затвердевания меди.

Следствиемтакогоположенияявилосьто, чтонекоторые средства ИК-техники имеют двойную градуировку: поэнергетическойяркостиирадиационнойтемпературе.

Всвязисэтимчастьвторичныхирабочихэталоновв областирадиометрииИК-излучения, какужеотмечалось, являютсяэталонамиэнергетическойяркостиитемпературы по инфракрасному излучению, причем диапазон измерения их шире диапазона измерений государственного первичного эталона и составляет от минус 50 до 1000 °С. Для повышения точности вторичных эталонов предполагается расширить диапазон государственного эталонапутемвведениявегосоставэталонногоизлучателя на основе тройной точки ртути (минус 38,8344 °С) для воспроизведения единицы энергетической яркости на уровне 54,4 Вт/(ср·м2).

ШирокоеприменениеИК-техники, особеннодляцелейэкологии, привелоксозданиюбортовыхрадиометрическихиспектрорадиометрическихсистемповышенной точности с широкими входными зрачками.

Градуировка и калибровка таких систем осуществляется с помощью протяженных излучателей в виде моделей АЧТ. Для обеспечения требуемой точности систем протяженные излучатели должны иметь метрологические характеристики, соответствующие уровню вторичныхэталоновгосударственнойповерочнойсхемы по ГОСТ 8.106-2001.

Созданиетакихэталоновсвязаносбольшимитехнологическими трудностями и требует разработки новых методов исредств измерения метрологических характеристик этих эталонов.

Таким образом, дальнейшее развитие и совершенствование системы обеспечения единства измерений в области радиометрии ИК-излучения предполагает расширение диапазона измерений государственного первичногоэталонаединицыэнергетическойяркостиинфракрасного излучения и создание вторичных эталонов единицы энергетической яркости в виде протяженных моделей АЧТ.

Литература

1. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и из-

мерение инфракрасного излучения / пер. с англ. – М.: Иностранная литература, 1959.

2.Круз П., Макглоулин Л., Макквистан Р. Основы ин-

фракрасной техники / пер. с англ. – М.: Воениздат, 1964.

3.КринсуновЛ.З. Справочникпоосноваминфракрасной техники. – М.: Сов. радио, 1978.

4.Прецизионные радиационные измерения в метеорологии // Сб. под ред. К.Я. Кондратьева и Л.Б. Красильщикова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

5.Хадсон Р. Инфракрасные системы / Пер. с англ. – М.:

Мир, 1972.

6.Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. – М.: Наука, 1964.

7.БабушкинВ.В., ДолгихИ.И., ЛибоваИ.В. Современное состояние и метрологическое обеспечение радиометрии инфракрасного излучения. Обзорная информация. – М.: ВНИИКИ, 1983. Вып. 1.

8.Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России // Оптический журнал. – 1992. – № 12. – С. 18.

9.СачковВ.И., СтепановБ.М. Метрологическоеобеспе- чениенародногохозяйствавобластиоптико-физическихиз- мерений// Измерительнаятехника. – 1978. – №9. – С. 18–22.

10.Morozova S.P., Lisiansky B.E., Morozov P.A, Sapritsky V.J. // Metrologia. – 1993. – № 30. – P. 369–370.

11.ГОСТ Р 8.1558-93 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений энергетической освещенности в диапазоне 1–1·10-3 Вт/м2 в диапазоне длин волн

1–50 мкм».

12.Бабушкин В.В. и др. Государственный специальный эталон единицы энергетической яркости для инфракрасного излучения // Измерительная техника. – 1981. – № 2. –

С. 24–28.

13.Долгих И.И., Сидорин В.К. Состояние иперспективы развития эталонной базы в области радиометрии ИК излучения // Измерительная техника. – 1995. – № 10. –

С. 26–29.

14.Сб. Применениетепловидениявмедицине, промышленностииэкологии// Тезисыдокладовназаседании«Темп96» и «Темп-98». (Оптическое общество им. Д.С. Рожде-

ственского). – СПб, 1996, 1998.

15.БелозеровА.Ф., ОмелаевА.И., ФилипповВ.Л. Совре-

менныенаправленияпримененияИКрадиометровитепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. – 1998. – № 6. – С. 16.

16.Мирошников М.М. Теоретические основы оптикоэлектронных приборов. – Л.: Машиностроение, 1983.

И.И. Долгих, Ю.А. Сильд

Принцип действия, используемые методы и средства измерений

Принцип действия государственного первичного эталонаединицыэнергетическойяркостиинфракрасного излучения (ГЭТ ЭЯ) основан на воспроизведении постоянных уровней энергетической яркости эталонными излучателями, выполненнымиввидемоделейабсолютно черноготела(АЧТ), притемпературахфазовыхпереходов чистых веществ – реперных точек международной тем-

пературной шкалы (МТШ): воды, галлия, индия, олова, цинка, алюминия и меди [1, 2].

Энергетическая яркость B эталонных излучателей в виде моделей АЧТ определяется теоретически в соответствии с законом Стефана-Больцмана по температуре T фазового перехода чистого вещества, постоянной Стефана-Больцмана σ и излучательной способности ε модели АЧТ.

B = π1 εσ T 4 .

Передача размера единицы энергетической яркости от ГЭТ ЭЯ к вторичным эталонам, также выполненным в виде моделей АЧТ, но с переменной температурой, осуществляется путем непосредственного сличения энергетической яркости обоих излучателей методом равныхсигналовспомощьюрадиометров-компараторов, входящих в состав ГЭТ ЭЯ.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

ГЭТ ЭЯ состоит издвух комплексов средств измеренийиспециальногооборудования: низкотемпературного (НТК) и высокотемпературного (ВТК). [2]

НТК включает эталонные излучатели при температурах тройной точки воды (ИРТ-В) и точки плавления галлия (ИРТ-Г), стенд сличения УВС-4 с вакуумной камерой, радиометр-компаратор РАД-30Н и стойки управления. НТК предназначен для воспроизведения и хранения единицы энергетической яркости с фиксированными значениями 100,39 и 151,82 Вт/(ср·м2) и передачи размера единицы с помощью вторичных эталонов рабочим средствам измерений в диапазоне энергетической яркости от 40 до 280 Вт/(ср·м2), что соответствует диапазону температур от 220 до 350 К.

ВТК включает эталонные излучатели при температурах затвердевания индия (ИРТ-И), олова (ИРТ-0), цинка (ИРТ-Ц), алюминия (ИРТ-А) и меди (ИРТ-М), стенд сличенияВТС-2, радиометр-компараторРАД-30 истойки управления. ВТК предназначен для воспроизведения и храненияединицыэнергетическойяркостисфиксирован-

нымизначениями615,03; 1173,5; 4151,1; 13691 и61283 Вт/ (ср·м2) и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов рабочим средствам измерений в диапазоне энергетической яркости от 280 до 61283 Вт/(ср·м2), что соответствует диапазону температур от 350 до 1360 К.

Центральным звеном НТК является стенд УВС-4 с охлаждаемой вакуумной камерой, к которой крепятся сличаемые излучатели. На стенд вне камеры устанавливается радиометр-компаратор РАД-30Н. Внутри вакуумной камеры расположена оптическая система, состоящая изповоротногозеркала, наклонногозеркального модулятора и защитного окна из кристалла КРС-5, обеспечивающегогерметичностькамерыипропускание в радиометр излучения от сличаемых излучателей в спектральном интервале от 0,8 до 40 мкм. С помощью поворотного зеркала осуществляется последовательное наведение радиометра на сличаемые излучатели. Наклонный зеркальный модулятор периодически посылает в радиометр излучение от сличаемого и опорного излучателя, последний из которых представляет собой прибортройнойточкиводыиобеспечиваетстабильную работурадиометранезависимоотизменениятемпературы окружающей среды. Вакуумирование внутреннего объема камеры производится с целью предупреждения обмерзания излучающих полостей при температурах ниже 280 К, а также для уменьшения конвективного и контактного теплообмена на результаты измерений.

Оптическая схема системы передачи размера единицы на НТК показана на рис. 1.

Воснове конструкции излучателя ИРТ-В лежит сосуд тройной точки воды, в намороженном состоянии практическиреализующийсостояниеравновесиямежду твердой, жидкой и парообразной фазами воды (рис. 2). Для увеличения срока нахождения сосуда в рабочем состоянии он помещен в снеговой термостат.

ВкачествеизлучающейполостиИРТ-Гиспользуется внутренний колодец герметичной камеры-ампулы из фторопласта, заполненной галлием.

Вкомплекс ВТК входят две идентичные трубчатые электронагревательныепечиПВ-1300, которыеслужатдля реализациифазовыхпереходоввэталонныхизлучателях ИРТ-И, ИРТ-0, ИРТ-Ц, ИРТ-А и ИРТ-М. Для этого излучатели по очереди помещают в центр печей. Обе печи установлены вертикально. При этом выходные апертуры излучающих полостей находятся внизу, что позволяет практическиполностьюисключитьконвективнуюсоставляющуюпотокаизлучения. Крометого, такоеположение излучателей обеспечивает равномерное заполнение их расплавленным металлом, атакжепозволяетснизитьпотребление электроэнергии по сравнению с горизонтальным расположением. Схема излучателей ИРТ-И, ИРТ-0, ИРТ-Ц, ИРТ-А и ИРТ-М приведены на рис. 3.

Последовательноевизированиерадиометра-компара- тора РАД-30 на сличаемые излучатели на стенде ВТС-2 осуществляетсяспомощьюповоротногозеркалаиперемещенияплатформы, накоторойрасположенрадиометр. Кроме того, снизу к стенду ВТС-2 может крепиться излучатель ИРТ-Г. Этодает возможность соединить обе частишкалыэнергетическойяркости, воспроизводимые на разных установках НТК и ВТК.

Радиометры-компараторыРАД-30 иРАД-30Нимеют идентичное конструктивное решение за исключением модуляторов. В радиометре-компараторе РАД-30 модулятор представляет собой зеркальный секторный диск при нормальной температуре, помещенный на входе прибора. Оптическая схема радиометров построена на однозеркальном наклонном сферическом объективе. В качестве приемников используются оптико-акустиче- ские типа ОАП7-I с входным окном из йодистого цезия, спектральная область пропускания которого от 0,3 до 50 мкм. Контроль за наведением радиометров на сличаемые излучатели осуществляется с помощью визирной трубки по изображению краев излучающего отверстия на зеркальной полевой диафрагме.

Случайная погрешность воспроизведения размера единицы эталонными излучателями, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений (СКО) не превышает 1·10-3 при неисключенной систематической погрешности не более 1·10-3, суммарная неопределенность эталона не превышает

1,1·10-3 в отн. ед.

Погрешностьпередачиразмераединицыспомощью радиометров-компараторов, выраженнаяСКО, непревышает 1·10-3 в отн. ед.

Назначение и область применения эталона

ГЭТЭЯпредназначендлявоспроизведения, хранения ипередачиразмераединицыэнергетическойяркостиин-

Рис. 2. Схема эталонного излучателя ИРТ-В 1 – сосуд тройной точки воды; 2 – снеговой термостат

Рис. 3. Схема эталонных излучателей ИРТ-И, ИРТ-0, ИРТ-Ц, ИРТ-А и ИРТ-М

1 – излучающая полость; 2 – металл

фракрасного излучения вторичным эталонам и рабочим средствам измерений в соответствии с государственной поверочной схемой для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой от 220 до 1360 К по ГОСТ 8.106-2001. К рабочимсредствамизмеренийИК-техникидонедавнего времениотносилисьтакиеприборы, кактепловыеизлучатели в виде моделей АЧТ полостного и протяженного типа, радиометры энергетической яркости и силы излучения и приемники ИК-излучения, которые широко использовалисьдляразведкиполезныхископаемых, оценки состоянияокружающейсреды, впрограммекосмических

Рис. 1. Оптическая схема системы передачи размера единицы на НТК 1 – поворотное зеркало; 2 – модулятор; 3 – защитное окно;

4, 7 – плоские зеркала; 5 – объектив; 6 – визирная трубка;

8 – полевая диафрагма;

9 – оптические фильтры; 10 – приемник излучения

исследований, в радиоэлектронной промышленности, обеспечивая разработку и совершенствование технологии микроэлектроники и т. д.

Числорабочихсредствизмерений, метрологические характеристики которых требовали постоянного или периодического контроля, достигало нескольких тысяч.

Впоследниедесятьлетсущественноизменилсякачественныйсоставрабочихсредствизмерений. Появились, например, тепловизионные и сканирующие бортовые радиометрическиеиспектрорадиометрическиеприборы и системы с большими зрачками, а также приемники на новых принципах действия в виде матричных фотоприемных устройств и др. В связи с развитием ИК-техники существеннорасшириласьобластьпримененияГЭТЭЯ.

Эталонная аппаратура, кроме основного своего назначения, позволяетрешатьряднаучныхзадачдляметрологических целей, а также для нужд промышленности. К таким задачам относится, например, исследование излучательной способности и пропускания твердых материалов в ИК-области спектра с целью разработки технологии создания материалов с заданными физическимисвойствамикакдляэталонныхизлучателей, таки для оптических элементов средств ИК-техники, а также длясозданияновыхстроительныхматериаловдляцелей энергосбережения.

Предыстория создания эталона

В связи с необходимостью решения проблемы метрологического обеспечения бурно развивающейся ИКтехникидляцелейприборостроительногоиоборонного комплексов страны в 1964 г. под руководством проф. А.Н. Гордова во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были начатыподготовительныеработыпообеспечениюединства измерений энергетических характеристик тепловых ис- точниковИК-излучения. В1974 г. подруководствомк.т.н. В.В. Бабушкина был создан первый государственный специальный эталон единицы энергетической яркости,

воспроизводимойпритемпературезатвердеванияолова, что закреплено ГОСТ 8.106-74.

Дляудовлетворениявсевозрастающихзапросовнаукиипромышленности, связанныхспоявлениемновых задач, влекущих за собой создание новых методов и приборов, потребовалось совершенствование эталона. Эта работа была выполнена группой сотрудников институтавсоставеВ.Я. Бабушкиной, Т.Е. Вылегжаниной, И.И. Долгих и И.В. Либовой и завершилась в 1979 г. утверждением нового государственного специального эталона единицы энергетической яркости для инфракрасногоизлучения, воспроизводимойпритемпературе тройной точки воды, затвердевания олова и цинка, что подтверждено ГОСТ 8.106-80. Ученым хранителем нового эталона, имеющего регистрационный номер по гостреестру ГЭТ 48-79, был утвержден к.т.н. В.В. Бабушкин [3].

Дальнейшее развитие работ по совершенствованию государственногоэталонабылонаправленонамодернизациюаппаратурыэталона, атакженаувеличениечисла эталонных излучателей, связанное с необходимостью повышения надежности и достоверности передачи размера единицы энергетической яркости от государственного эталона к рабочим средствам измерений, широко используемым в таких приоритетных областях народного хозяйства, как энергосбережение, экология, здравоохранение и др. [2]. Работы в этом направлении были выполнены О.В. Рыболовлевой и В.В. Смирновой подруководствомипринепосредственномучастиик.т.н. И.И. Долгих.

В результате выполненных работ 2001 г. ГЭТ ЭЯ был успешно переутвержден. Проводятся научно-ис- следовательские работысцельюрасширениядиапазона воспроизводимых значений энергетической яркости, снижения его погрешности и совершенствованию аппаратуры эталона. Ученым хранителем эталона является Ю.А. Сильд.

Международное сотрудничество

Специалисты ВНИИМ им. Д.И. Менделеева принимают участие в деятельности рабочей группы Технического комитета КООМЕТ ТК 1.7 «Фотометрия и Радиометрия». В рамках его работы представителями стран участников проводятся обсуждения текущего состояния и предполагаемого развития эталонной базы в области фотометрии и радиометрии. Идет обсуждение хода работ и результатов по текущим сличениям КООМЕТ, формируютсяпредложенияпланируемыхсличений КООМЕТ, осуществляется рассмотрение и экспертиза измерительных возможностей.

Участие в рабочих группах Консультативного комитета по фотометрии и радиометрии МКМВ позволяет проводить обсуждения насущных вопросов в области радиометрии.

НатекущиймоментзаВНИИМим. Д.И. Менделеева вобласти фотометрии ирадиометрии зарегистрировано 9 строк СМС в базе данных МБМВ.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

Реализована шкала энергетической яркости для инфракрасного излучения на основе полных тепловых излучателейввидемоделейАЧТпритемпературахфазовых переходов чистых веществ – реперных точек МТШ-90.

Создана система обеспечения единства измерений, выполняемых с помощью средств ИК-техники.

В России систему обеспечения единства измерений, осуществляемых с помощью средств ИК техники, возглавляет ГЭТ ЭЯ. Он возглавляет также поверочную схему для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой

220–1360 К (ГОСТ 8.106-2001). В этом смысле ГЭТ ЭЯ является объектом Федерального уровня.

Уникальность и преимущества эталона являются следствием его принципа действия. В основе последнего лежит концепция идеального теплового излучателя (АЧТ) и такое стабильное физическое явление, как постоянство температуры фазовых переходов чистых веществ. Это позволяет теоретически в соответствии с закономСтефана-Больцманарассчитатьэнергетическую яркость эталонных излучателей, а при реализации их достичьточностьвоспроизведения, приближающуюсяк значениям, ограниченнымприродойстабильныхфизических явлений при достаточно умеренных материальных затратах по сравнению с аналогичными излучателями, работающими при переменной температуре.

Литература

1.Бабушкин В.В. и др. Государственный специальный эталон единицы энергетической яркости для инфракрасного излучения // Измерительная техника. – 1981. – № 2. –

С. 24–28.

2.Долгих И.И., Сидорин В.К. Состояние и перспективы развития эталонной базы в области радиометрии ИК излучения// Измерительнаятехника. – 1995. – №10. – С. 26–29.

3.БабушкинВ.В., ДолгихИ.И., ЛибоваИ.В. Современное состояние и метрологическое обеспечение радиометрии инфракрасного излучения // Обзорная информация. – М.: ВНИИКИ. 1983. Вып. 1.

Принцип действия

Воспроизведениеединицыплотностирадиационного теплового потока состоит в измерении мощности излучения, поглощенного приемной полостью радиометра с последующим расчетом плотности радиационного теплового потока в плоскости апертурной диафрагмы по формуле (1):

ЕТП = А Ро/ RA2 , (1)

где: n

A = ∏Ai – суммарный поправочный фактор, опреде-

i=1

ляемыйприпроведенииисследованияметрологических характеристик первичного эталона.

Po – электрическая мощность, рассеянная в обмотке замещения радиометра;

RA – радиус апертурной диафрагмы радиометра. Передачаединицыплотностирадиационноготеплово-

го потока датчику теплового потока (ДТП) заключается в измеренииспомощьюабсолютногорадиометраплотности радиационноготепловогопотокавплоскостирасположения чувствительной поверхности датчика и измерении электрическогонапряжениянавыводахдатчика. Коэффициент преобразованиядатчикаКД рассчитываютпоформуле(2):

КД= CЕТПε / VД [(Вт/м2)/мВ], (2)

где ε – излучательная способность покрытия поверх-

ности датчика; ЕТП – плотность радиационного теплового потока,

измеренная абсолютным радиометром в плоскости расположения чувствительной поверхности датчика;

C – коэффициент, учитывающий неравномерность освещенности;

VД – электрическое напряжение на выводах датчика. Внешний вид государственного первичного эталона единицы плотности радиационного теплового потока в

диапазоне 1000–5000 Вт/м2 приведен на рис. 1. Высокотемпературная модель черного тела с регули-

руемойтемпературойот1300 до2800 Кимеетвыходную апертуру 20 мм и работает в среде аргона. Питание МЧТ осуществляетсяотпрецизионногоблокапитания, который обеспечивает стабилизацию постоянного тока до 800 А.

Стабилизация температуры МЧТ осуществляется с помощьюсигнала, снимаемогосвыходафотоприемника обратнойсвязи. Этотсигналсвыходаусилителяизмеряется цифровым мультиметром и поступает в отдельный компьютер, который управляет работой МЧТ и выдает соответствующие команды блоку питания.

Абсолютный радиометр с электрическим замещением АР-10 закреплен на подвижной платформе в одной плоскости с калибруемым датчиком плотности радиационного теплового потока. Калибруемый датчик помещен в термостат, расположенный в специальной камере, закрепленной на той же подвижной платформе, чтоирадиометр. Температуратермостатаскалибруемым датчикомподдерживаетсяпостояннойспомощьювнешнего жидкостного термостата. С помощью подвижной платформыпроизводитсяперемещениесвысокойточностьюрадиометраикалибруемогодатчикананеобходимое расстояниеотМЧТ. Управлениеподвижнойплатформой осуществляетсяоткомпьютераспомощьюконтроллера.

Управление МЧТ, радиометром АР-10 и измерение выходного сигнала калибруемого датчика осуществляется с помощью системы регистрации и обработки информации под управлением компьютеров.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Первичныйэталонсостоитизкомплексаследующих средств измерений и специального оборудования:

–абсолютный радиометр с электрическим замещением АР-10;

–источник излучения в виде модели черного тела (МЧТ) с регулируемой температурой от 1300 до 2800 К;

–набордатчиковплотностирадиационноготеплового потока для использования их в качестве эталонов-пере- носчиков;

–охлаждаемая апертурная диафрагма МЧТ и набор термостатированных оптических бленд;

–термостатированная камера с платформой для калибруемых датчиков теплового потока;

–устройствопозиционированияабсолютногорадиометра и термостатированной камеры с платформой для калибруемых датчиков;

–система регистрации и обработки информации. Первичныйэталонвоспроизводитединицуплотности

радиационноготепловогопотокавдиапазонеот1000 до

5000 Вт/м2.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы плотности радиационного теплового потока с относительным средним квадратическим отклонением случайной погрешности результата измерений S0, не превышающим 0,1 % при 10 независимых измерениях.

Граница относительной неисключенной систематической погрешности θ0 не превышает 0,65 % при доверительной вероятности Р=0,99.

Оценкастандартнойнеопределенности, вычисленная по типу А û0А = 0,1 %;

Оценкастандартнойнеопределенности, вычисленная по типу В û0В = 0,34 %;

Суммарная стандартная неопределенность û0С = 0,35%;

Оценка расширенной неопределенности Û0p= 0,70% при коэффициенте охвата k = 2.

Назначение и область применения

Измерения плотности радиационного теплового потока широко используются в науке и промышленности. Парк средств измерений плотности теплового потока в России в настоящее время составляет десятки тысяч штук. Основное назначение и область применения датчиков теплового потока:

–в строительной индустрии и энергетике – определение эффективности теплоизоляции ограждающих конструкцийзданий, сооруженийитеплоэнергетических объектов;

–в оборонно-промышленном комплексе – исследования и выбор оптимальных тепловых режимов при