книги из ГПНТБ / Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (фотометрия)

в 1888 г. С тех пор она подвергалась изменениям, но во многих при­ борах и до сих пор существует в том воде, в каком впервые была опи­ сана. Существенною ее частью, как и каждой головки, является испытательная пластинка А (рис. 81. 1). Раньше эта пластинка изготовлялась из гипса. В настоящее время ее часто делают из дру­ гого материала, например, из сернобариевой соли (п. 78). Эта пла­ стинка имеет две рабочие стороны, освещаемые порознь источниками света, участвующими в измерениях. Лучи света, отраженные ею, падают на стеклянные призмы В (вместо них иногда применяют серебрёные зеркала), а после отражения от них идут в кубик Люм- мера—Бродхуна. Пройдя сквозь последний и затем лупу с неболь­ шим увеличением, попадают через отверстие D в глаз наблюдателя. Все описанные оптические части собраны вместе в одной коробке. Для устранения попадания постороннего света на испытательные пластинки и на оптические системы, все стенки внутри коробки сделаны черными матовыми (помощью краски или обклейки мате­ рней, особой черной бумагой и т. п.). Кроме того, по пути хода лучей от пластинки в глаз наблюдателя ставятся еще непрозрачные, выкра­ шенные в черный цвет перегородки с отверстиями, пропускающими к глазу наблюдателя только те лучи, которые необходимы для обра­ зования полей сравнения. Достоинство этой светомерной головки обуславливается применением кубика Люммера—Бродхуна, который обеспечивает очень хорошее совмещение полей сравнения (рядом). Лупа в зрительной трубке применяется, главным образом, для того, чтобы видеть поля сравнения как бы совмещенными в одной пло­ скости, именно, в плоскости соприкасающихся граней призм. Вслед­ ствие этого поверхности испытательной пластинки сами по себе видны несколько размытыми и не в фокусе. Иногда это полезно, чтобы смягчить и сделать незаметными мелкие недостатки поверх­ ности: царапины, пятнышки, впадины и т. д., которые могут несколько отвлекать наблюдателя. Лупа немного (раза в полтора) увеличивает изображение. Это не всегда нужно. Вообще можно рабо­ тать и без лупы. В таком случае можно привыкнуть аккомодировать глаз на диагональных плоскостях кубика; зрительную трубку при этом надо иметь достаточной длины.

Одним из недостатков данной светомерной головки является нали­ чие значительного количества отражающих или пропускающих свет оптических поверхностей. Потери света (до 50%) от них, может быть, и не всегда имеют значение. Но для исправного действия прибора все поверхности нужно поддерживать в состоянии полной чистоты, что требует его частого раскрывания; это не всегда удобно. Приме­

слоя может нарушиться; возникают пятна, вследствие чего поле может казаться неоднородным. Впрочем, серебряный слой, нанесен­ ный на стекло с задней стороны, может сохраниться довольно долгое время, если он тщательно защищен (например, обмеднением и баке­ литовым лаком). В случае порчи он может быть без затруднения возобновлен.

171

тельном их изготовлении по истечении 3—5 лет они оказываются неудовлетворительными.

Г о л о в к и В Н И И М. Разработано несколько видов их. Они изготовлялись заводом «Эталон». Обыкновенно они имеют две испытательные пластинки. Кубик Люммера—Бродхуиа (нередко — измененный) располагается в одной головке так, что прямые лучи, проходящие сквозь кубик, попадают от пластинки А непосред­ ственно в глаз наблюдателя. От пластинки же В лучи идут в глаз, отразившись от диагональной плоскости кубика. Как видно

из рис. 81. 2, головка не имеет зеркал или призм полного внутрен­ него отражения. В этом ее преимущество: сокращено число отражаю­ щих или пропускающих свет поверхностей. Благодаря этому запыление в данной головке меньше сказывается, чем во многих других. Другою особенностью является наличие большого числа перегоро­ док, расположенных перед каждой из испытательных пластинок. Они вычернены и имеют острый срез у края. Благодаря этому лучи света, идущие от источника в головку, не освещают стенок. Кроме того, лучи света, отразившись от испытательной пластинки, также не освещают стенок. Вследствие этого испытательная пластинка является хорошо защищенной от рассеянных лучей. Число перего­ родок выбирается с таким расчетом, чтобы не было падения лучей света как от источника, так и от испытательной пластинки непосред­ ственно на боковую поверхность головки. Наличие двух испытатель­ ных пластинок представляет то преимущество, что одна не связана с другой и может быть изготовлена из иного материала или иначе

172

окрашена, чем другая. В светомерной головке Люммера—БроДхуна применена одна испытательная пластинка, у которой используются обе стороны: в таком случае одна сторона может оказаться связанной в том или ином отношении с другой; это менее удобно для лабора­ торной практики. Головка ВНИИМ может применяться лишь в тех случаях, когда источники света, освещающие испытательные пла­ стинки, не расположены на одной прямой линии со светомерной головкой. Впрочем, она может быть применена и в том случае, когда источники света находятся на одной прямой с ней, но для этого необ­ ходимо вторую испытательную пластинку поместить над первой (рис. 81. 3). В таком случае оба источника света находятся на разных уровнях.1

На рис. 81. 4 изображена го­ ловка ВНИИМ с одинаковыми путями лучей от обоих полей сравнения; для удобства при­ менены две пластинки; головка предназначена для работ по подбору цветовых температур

(п. 165). На рис. 81. 5 дана фотография светомерной го­ ловки с расширенным растру­ бом для освещения испыта­ тельной пластинки не одной, а 2—3 лампами [на светомерной скамье для разноцветных изме­ рений (п. 109) ]. Призмы и кубик размещены в верхней части.

Ср а в н и т е л ь н а я

оц е н к а с в е т о м е р н ы х

г о л о в о к . При оценке достоинств и недостатков той или иной светомерной головки нужно принимать во внимание следующие соображения:

1.Необходимо, чтобы не было дополнительного освещения испы­ тательной пластинки откуда-либо отраженным светом. Это может определяться следующим образом. Одна испытательная пластинка или, что то же, одно поле сравнения имеет небольшую освещенность. Теперь наблюдают второе поле сравнения: оно должно быть совер­ шенно темным; если на нем имеется слабое освещение, то этим под­ тверждается наличие рассеянного света, который может вносить погрешность в наблюдения.

2.Требуется, чтобы поля сравнения образовывались, по воз­ можности, небольшою частью испытательных пластинок. Обыкно­ венно стремятся, чтобы в поля сравнения попадало не больше, чем

1 Испытательные пластинки легко убираются и на их место можно поставить фотоэлемент (глава 10).

A i и А 3 — белые пластинки; В i — призма полного внутреннего отраже­ ния; Ci — сменный поглотитель; D — контрастный кубик; Е — сменный зрачок; G — затенения с окнами. В левой части чертежа показаны крепящие части.

Нижний рисунок—устройство для светлого окружения полей сравнения. А — полая, выбеленная внутри трубка; В — освещающая ее лампочка; С — окулярная линза.

174

Нужно отметить, что физические приёмники для световых измерений как промышленные изделия, а не единичные приборы, изготовляются в небольшом числе наименований: это главным образом селеновые люксметры. Поэтому при объективных световых измерениях часто приходится пользоваться физическими приемниками, изготовляе­ мыми для других отраслей измерений, для автоматики и т. д. Прихо­ дится пользоваться, например, такими, которые приспособлены для тепловых излучений и для их спектральных измерений, для телеви­ дения, для звукового кино. Для световых измерений подобные прием­ ники нередко требуют некоторых изменений, переделок и приспособ­ лений. \С точки зрения практики световых измерений удобно разли- h чать приемники лучистой энергии избирательные и неизбирательные. ^ Обычно предпочитают работать с приемниками, преобразующими прямо или косвенно лучистую энергию в электрическую, как удобную для измерений; эти приемники по существу являются преобразова­ телями энергии.

Неизбирательные приемники имеют преимущество перед изби­ рательными в том отношении, что их спектральная чувствительность имеет полную определенность и во многих случаях, например при термопарах, черненных известным образом (см. ниже), даже нет прямой необходимости ее проверять. В противоположность этому избирательные приемники обыкновенно имеют своеобразную спек­ тральную чувствительность, так что в сколько-нибудь ответственных случаях приходится ее определять даже у каждого изделия, что нередко считается обременительным. »

К неизбирательным приемникам относятся: радиометры и микро-j радиометры, болометры разные, например воздушные и электриче-1 ские, металлические или полупроводниковые сопротивления, меняны щиеся под влиянием нагрева лучистой энергией, и термопары. \ В обычных условиях лабораторных работ, относящихся к свето- \

вым измерениям, радиометры и болометры уступают термопарам в смысле точности; измерения с ними сложнее. Далее такие прием­ ники подробно не рассматриваются. Нельзя сказать, что измерения с помощью термопар или термостолбиков, собранных из нескольких последовательно соединенных термопар, просты и удобны. Но в ряде случаев, например при определении спектральной чувствительности избирательных приемников, без них практически не обойтись. Указанные выше приемники являются тепловыми. К неизбиратель­ ным приемникам относятся еще фотоэлементы одного вида, но они здесь не рассматриваются (см. п. 87). Неизбирательность тепловых или иных приемников для световых измерений нужна нередко только в области видимого спектра. Приемники, неизбирательные для све­ товой энергии, могут оказаться избирательными в соседних областях

спектра.

Собственно, неизбирательность тепловых приемников достигается за счет покрытия их воспринимающей поверхности чернью. Эта чернь может быть разной по составу и она прикрепляется разными спосо­ бами (см., например, ниже о термостолбике ВНИИМ). Применяют чернь: платиновую, цинковудз, копоть камфоры, копоть скипидара.

В области видимого спектра спектральное поглощение у всех прибли­ зительно одинаковое. По измерениям одного образца во ВНИИМ коэффициент яркости составлял 0,0100 по всему видимому спектру с относительной неточностью не выше 1%. По некоторым отдельным опытам в ультрафиолетовой и близкой инфракрасной области погло­ щение сохраняется таким же. Относящиеся сюда измерения пред­ ставляют некоторые трудности и не отличаются точностью, когда производятся в области ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Так, по одним данным поглощение лучистой энергии цинковой чернью, особенно обработанной, сохраняется в пределах 0,96—0,98 от падающей энергии вплоть до длин волн около 14 мкм и затем уменьшается примерно до 0,85 при длинах волн около 50 мкм. По другим данным та же чернь поглощает около 0,80 уже при 8 мкм и 0,70 при 40 мкм. Копоть камфоры поглощает менее 0,50 уже при 11 мкм. Чернь золотая поглощает почти одинаково в пределах спектра 1—15 мкм (отражая менее 1НЬ).

Таким образом, название «неизбирательные приемники» не сле­ дует понимать, что они являются действительно такими по всем областям спектра, и применение их для измерения полной мощности лучистой энергии следует производить с должной осмотрительностью. Если приемник поверен на полную мощность при электрической лампе с известной цветовой температурой, то применение его для ламп накаливания с другой температурой или для источников с линей­ чатым спектром может сопровождаться погрешностью, размер кото­ рой довольно трудно подсчитать, если нет надежных данных о спек­ тральном поглощении приемника по всему спектру.

Т е р м о п а р ы и т е р м о с т о л б и к и. Термопары, после­ довательно соединенные и расположенные друг над другом, называют термостолбиком. Эти приемники применяются для надобностей све­ товых измерений чаще других неизбирательных из-за простоты и удобства обращения. Они хорошо изучены и во многих случаях оказываются достаточно чувствительными. После фотоэлементов термопары стоят на втором месте по частоте применения.

Устройство термопар бывает разным. В первоначальных термо­ столбиках металлические проволочки расплющивались в полоски, которые служили приемной поверхностью вблизи спая; полоски чернились. Теперь стремятся делать термопары возможно меньшей теплоемкости. Применяют очень тонкие проволочки (сотые доли миллиметра и даже менее), к месту спая которых приваривают или припаивают тонкие и малые черненые металлические поверхности. Для дальнейшего уменьшения инерционности в показаниях термопар, вызываемой теплоемкостью, некоторые термопары (и соответственно термостолбики) готовят путем распыления металла на непроводящей подложке из целлюлозы, кварца и др. Толщина слоя металла может составлять доли микрона. Для повышения чувствительности нередко помещают термопары в пустотные стеклянные сосудики, причем в случае надобности делают кварцевые окошечки в месте прохожде­ ния излучений. Пустотные термопары имеют чувствительность в 10—150 раз более высокую, чем такие же, находящиеся в воздухе.

178

Термопары и термостолбики часто применяются при спектраль­ ных измерениях и для этого приемная поверхность делаетсямалой: от 0,2 X 1 до 2 X 2 мм у одного спая, а у термостолбика 1 х 10 или 2 X 1 0 мм-, от этих размеров встречаются отклонения в сторону уменьшения или увеличения. Холодные спаи закрывают от облуче­ ния и присоединяют к сравнительно толстым проводничкам для лучшего отвода тепла.

Нередко устраивают уравновешенные (компенсационные)' термо­ пары и термостолбики: рядом или вблизи основной измеряющей термопары (или термостолбика) помещают одинакового устройства вспомогательную, защищенную от измеряемых излучений и включен­ ную в электрической цепи навстречу основной. Такое устройство облегчает поддержание устойчивости измерений за счет уменьшения влияния изменения температуры холодных спаев и других помех.

Если сдвоенные термопары при измерениях используются так, что у них измеряется электродвижущая сила, то наличие второй термопары не изменяет чувствительность измерений. При измере­ ниях же тока чувствительность их уменьшается соответственно уве­ личению сопротивления измерительной цепи из-за введения сопро­ тивления второй термопары.

Некоторые термопары и термостолбики снабжаются раздвижной щелью, помещаемой вблизи спаев. В небольших пределах раздвижения щели, определяемых в каждом случае опытным путем, показания приемника близко пропорциональны ширине щели; речь идет о ширине 0,1—1 и редко до 1,5—2 мм. Однако следует избегать пользоваться изменением ширины как средством для измерений из-за погрешностей, размер которых трудно оценить. Размеры прием­ ной поверхности обыкновенно подбираются опытным путем для полу­ чения наибольшей чувствительности, что делается при разработке приемника.

Термопары и особенно термостолбики очень хрупки и нуждаются в весьма бережном обращении. Некоторые меняют с течением вре­ мени свое кристаллическое строение и выходят из строя через несколько месяцев, независимо от применения.

Справочные сведения о термоэлектродвижущей силе разных

не совпадают, что объясняется разной степенью чистоты веществ, разным размером кристаллов. Сплавы металлов дают в ряде случаев большую электродвижущую силу. Поиски составов таких сплавов