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

пленку, причем толщина слоя — доли микрона. Порог чувствительности — несколько 10-11 вт. Термопара пустотная. Сопротивле-

ние 50—60 ом.

Самыми чувствительными из имеющихся в продаже иностранных термопар являются приемники Хилгера—Шварца (рис. 82. 2). Полу­ проводниковый сплав для положительного вещества состоит из 27% меди, 32% серебра, 33% теллура, 7% селена, 1% серы. Термоэлектродвижущая сила доходит до 180—240 мкв/град. Сплав для отрицательного вещества состоит поровну из селенистого серебра (AgoSe) и сернистого серебра (Ag2S) (с добавлением 1% меди и 0,6% теллура). В зависимости^ взятых пропорций термоэлектро­ движущая сила может меняться от 70 до 700 мкв/град, если взять

до 38,5 в/вт, но нередко и раз в 5—7 менее. Сопротивление 10—100 ом. Порог чувствительности 5 X 10-11 вт при частоте 5 пер/сек и ширине пропускания 1 пер/сек. Сведений о долговечности не имеется.

Значительные успехи в изготовлении термопар и термостолбиков достигнуты в СССР. Особо чувствительные изготовляются для еди­

и хрупких сплавов встречает немало затруднений и потому продол­ жают часто пользоваться веществами с умеренной т.-э. д. с., но вслед­ ствие своей ковкости (пластичности) допускающими изготовление тонких проволочек и ленточек. Общая чувствительность изготовлен­ ных из них термостолбиков, отнесенная к единице площади прием­ ника, практически не уступает или мало отличается от чувствитель­ ности термопар из очень трудно изготовляемых сплавов с высокой т.-э. д. с. До сих пор продолжают, например, пользоваться термо­ столбиками из спаев манганина и константана, хромель-копеля, жедеза-константана, Из этих же веществ делаются термостолбики

181

термоспаев сделано также из красной меди, причем зубцы его взяты по 0,5 мм и в каждом зубце по 2 термопары. Ширина примененных ленточек термопары 0,2 мм. Таким образом теплоемкость термо­ столбика, а следовательно, и тепловая инерция — незначительны. Просвет между лентами — 0,1 мм. Всего употреблено 60 ленточек. Высота термостолбика, т. е. обеих его частей — освещаемрй и неосвещаемой — 18 мм. Рабочая высота — при встречном включе­ нии 9 мм. На такой длине можно расположить лишь 10—12 спаев из более хрупких сплавов металлов, которые обладают большей термоэлектродвижущей силой. Изоляция применена из слюды в 0,03—0,05 мм. Чернение термостолбика выполнено, как осаждение копоти камфоры. Свечка из камфоры была окружена конической трубкой, над которой располагался при копчении термостолбик. Копоть наносилась несколько раз, причем каждый раз для уплотне­ ния (и закрепления) термостолбик погружался в спирт.

Термостолбик по своему устройству является довольно прочным. Сплавы — манганин и константам — устойчивые. Поэтому есть осно­ вания ожидать, что он окажется пригодным в течение очень дли­ тельного времени и вместе с тем, как ожидается, будет сохранять свою градуировку. В этом его преимущества по сравнению с термо­ столбиками из других упоминавшихся сплавов.

Были предложены, как указывалось, термопары весьма тонкие — из напыленных слоев. Они обладают ничтожной теплоемкостью и соответственно весьма малым запаздыванием. Подобные термопары имеют значение для очень быстрого выполнения измерений, напри­ мер, при автоматической записи. В области световых измерений они пока еще не получили распространения. Разнообразные по устройству и по составу термопары и термостолбики применялись при выполнении отдельных исследовательских работ: здесь нет возможности их рассмотреть.

Пустотные термопары, при некотором их устройстве, отличаются запаздыванием показаний и изменением чувствительности. Одной из пригодных термопар в пустоте для измерения мощности лучистой энергии, в частности, для измерения распределения мощности

вспектре, является термопара Хазе (Hase). Она помещена в кварце­ вую колбу с плоским кварцевым окном. Термопара имеет лишь один спай. К нему прикреплена зачерненная воспринимающая пластинка

ввиде кружка диаметром в 2 мм. Сопротивление термопары — 7 ом.. По данным изготовителя, если измерять ток гальванометром с сопро­ тивлением около 15 ом и имеющим чувствительность 3 X 10-10 а

на одно деление шкалы, то при расстоянии от гальванометра до шкалы в 3 м чувствительность термопары составляет 1,2 X 10“9 вт (на одно деление шкалы), приходящихся на воспринимающую поверх­ ность; это отвечает 3,8 X 10-4 вт/м2 плотности лучистой мощности,,

иначе — 5,5 в/вт (0,06 вт/м2 на 1 мкв).

Приблизительно такого же вида пустотные термопары изготов­ ляются Ленинградским электротехническим институтом. В них при­ меняются две термопары, причем одна служит для уравнивания посторонних помех; она включена навстречу, прикрыта металлической

т

фольгой и на нее не направляется измеряемая лучистая энергия. Приемная площадь составляет 9 мм2; сопротивление обеих термопар вместе — около 13,5 ом. Чувствительность по данным изготови­ теля — 0,8 в/вт.

В пустотных термопарах особенно полезно помещать вторую уравновешивающую термопару.

Б о л о м е т р ы . В практику измерений лучистой энергии осо­ бенно спектральных все чаще входят болометры. Для световых изме­ рений они так же пригодны и, возможно, получат применение. Элек­ трические измерения стали привычными и потому электрические болометры получили большее развитие. Один из самых чувствитель­ ных воздушных болометров (Голэя) имеет порог чувствительности 1,4 X Ю-51 в/п. Металлические электрические болометры примерно раза в 2 грубее, а полупроводниковые — раза в 3—4 более чувстви­ тельны. В болометре Голэя за счет лучистой теплоты расширяется объем воздуха и это расширение измеряется очень хитроумным спо­ собом, без применения электричества.

Металлические болометры представляют часто полоску металла, например платины, нанесенного распылением (в пустоте) на стекло, кварц или целлюлозу. Чтобы достичь неизбирательного поглощения, нередко сверху болометр покрывается черныо, как и термопары. Размеры полоски незначительны: длина 1—10 мм, ширина 0,5—2 мм или иные, по надобности. Сопротивление 10—100 ом или немногим более. Толщина слоя металла около микрона и часто менее, чтобы иметь незначительное запаздывание показаний, т. е. для достижения малой тепловой инерции.

Полупроводниковые болометры делаются из разных окисных полупроводников. Отмечается, например, пригодность смеси окислов марганца и никеля, а также и кобальта. Путем сжатия и обжига или спекания получают полоски на керамической подложке, иногда на кварце, а иногда и без подложки. Чернение производится чаще всего нанесением слоя золота, как и при термопарах. Применяются болометры сурьмяновые и германиевые.

Часто при измерениях применяют последовательное включение двух болометров, из которых один является вспомогательным. Он не освещается и служит для уравновешивания от помех. Изме­ рительное устройство учитывает изменение электрического сопро­ тивления облучаемого болометра по сравнению с необлучаемым. Обыкновенно измеряемый лучистый поток прерывается (модули­ руется), например, вращающимся кругом с вырезами для пропуска излучений. Частота прерываний 5—30 пер/сек или иная, что выби­ рается применительно ко времени нагрева болометра. В электриче­ ской цепи болометров возникает при прерывистом облучении меняю­ щийся ток, который и подается так или иначе на усилитель (через трансформатор). После усиления ток выпрямляется и может изме­ ряться стрелочными приборами или идти на самописец и т. д. Надо заметить, что подобное измерительное устройство в некоторых случаях применяется и для термопар, когда ток от них уже не может отмечаться чувствительными гальванометрами. Тепловая инерция

J 84

у болометров и у термопар подходящего устройства оценивается в сотых долях секунды (постоянная времени составляет в некоторых случаях 0,00 2—0,03 сек). Полупроводниковые болометры имеют сопротивление порядка 1 мегома и могут непосредственно подклю­ чаться к сетке усилительной лампы (или через конденсатор, иногда без вспомогательного болометра). Усилительные устройства для болометров хорошо разработаны и здесь не рассматриваются. Боло­ метры находят себе применение в измерительных устройствах для тех спектрофотометров, в которых охвачена широкая область спектра, например, от 0,2 до 15 мкм.

В недавние годы стали применять еще один особый вид боло­ метров, отличающихся устройством и изготовлением, — термисторы. Они представляют собою многоомные сопротивления из полупро­ водников, например, из смесей окислов некоторых металлов: кобальта, никеля, железа, марганца, магния, цинка и др., причем берут 2—3 окиси. Они значительно уменьшают свое электрическое сопротивление (R) — до (0,044-0,05) R при повышении температуры на 1 градус (In R пропорционален 1/7", где Т — абсолютная темпе­ ратура). При комнатной температуре сопротивление их — порядка 2-г-4-10° ом, что позволяет непосредственно применять в усилителях с электронными лампами. Электрический ток через термистор про­ пускается от постороннего источника. Термисторы могут делаться очень малого размера; запаздывание показаний (инерция) очень мало; оно меньше, чем у других тепловых приемников. Пока для световых измерений они не нашли себе применения, но уже имеют употребление в близком соседстве: при спектральных измерениях

винфракрасной области.

83.Особенности измерений термостолбиками и термопарам

Устранение тепловых и электромагнитных помех. Можно считать, что термоэлектродвижущая сила, возникающая под действием раз­ ницы температур нагреваемого спая [двух проводов из разных метал­ лов или сплавов (из них) и ненагреваемых концов их], прямо про­ порциональна именно разнице температур, так как при измерениях лучистой энергии эта разность составляет лишь доли градуса, напри­ мер, при спектральных измерениях иногда 0,01° С и менее. Между тем прямую пропорциональность можно наблюдать при разнице до 5—10 град, при обычных температурах лабораторных помещений. Строго же говоря, термоэлектродвижущая сила, приходящаяся на разницу температур в один градус, зависит от значений темпера­ тур нагреваемого спая и ненагреваемых концов.

Если бы потребовалось проверить действительную зависимость между электродвижущей силой и температурой, то по соображениям удобства измерений это надобно было бы сделать до изготовления термостолбика или пустотной термопары, еще в заготовках. При про­ верке термоспай и холодные концы погружаются в разные сосуды с жидкостями, температуры которых известны по непосредственным измерениям.

Желательно, чтобы нагревание термостолбика или термопары, Т- е. прирост его температуры, происходило прямо пропорционально

185

получаемой мощности лучистой энергии. Установление теплового равновесия термопары происходит под влиянием охлаждения за счет собственного лучеиспускания, отвода тепла по металлическим и дру­ гим частям и охлаждения окружающим воздухом, если это не пустот­ ная термопара. При малых нагреваниях можно полагать, что отвод тепла происходит пропорционально повышению температуры. Соот­ ветственно допустимо считать, что термоэлектродвижущая сила прямо пропорциональна получаемой мощности лучистой энергии. В над­ лежащих случаях термопара поверяется (следовательно, при пред­ назначении ее для ответственных работ) и, именно, для прямых измерений, а не для применения по способу замещения.

Поверка производится, например, на светомерной скамье. Для тер­ мостолбиков, поверявшихся во ВНИИМ, прямая пропорциональность устанавливалась иногда в сравнительно широких пределах измене­ ния энергетической освещенности, например, 1 : 20. При этом нару­ шение пропорциональности начиналось у некоторых приемников при значительных освещенностях, порядка 4 вт/м2, у других наблю­ далось именно при малых. Впрочем, не исключено, что при значи­ тельных освещенностях понижается точность измерений, если термо­ столбик близко располагается к источнику излучения и трудно

.достичь того, чтобы получать излучение только от одного источника малых размеров (см. ниже). Тем не менее приходится считать, что существуют некоторые верхний и нижний пределы освещенностей, вне которых начинаются заметные отступления от прямой пропор­ циональности и термоэлектродвижущая сила растет или быстрее или медленнее, чем увеличивается освещенность.

Отсюда надо сделать заключение, что в случаях сколько-нибудь широких пределов измерений термостолбиками и термопарами, их следует поверять и пользоваться на опыте полученной зависи­ мостью между освещенностью и термоэлектродвижущей силой.

Термостолбик ВНИПМ. описанный ранее (п. 82), при поверке от светоизмерительной лампы типа № б, горевшей при напряжении в 100 б и излучавшей по всем направлениям около 300 вт, показал заметные отклонения от прямой пропорциональности. Итоги поверки приведены, в табл. 83. 1 (все 60 спаев включены последовательно) как пример наиболее значительных отступлений от прямой пропор­ циональности из встречавшихся в практике ВНИИМ.

Если термостолбик или термопара при нагреве замкнуты и если в образованной электрической цепи сопротивление не меняется и другие источники термоэлектродвижущей и иной электродвижущей силы или отсутствуют, или уравновешены такими же-, направлен­ ными в обратную сторону, то сила тока прямо пропорциональна тер­ моэлектродвижущей силе в пределах точности измерений (отступле­ ния от пропорциональности возможны из-за некоторого дальнейшего осложнения явлений при прохождении тока). Следовательно, прак­ тически почти равноценно, измеряется ли напряжение у термо­ столбика или сила тока в его замкнутой цепи. Если, однако, стре­ мятся к повышению точности и если имеется в виду произвести поверку термостолбика на более или менее длительное время, то пред-

186

Таблица S3. 1

Зависимость напряжения одного термостолбика от энергетической освещенности

* или 4,4 вт/м-.

почтительно измерять термоэлектродвижущую силу. Если же она очень мала, то с измерительной точки зрения может оказаться более легким — измерять ток.

П р е р ы в и с т о е и к о л е б л ю щ е е с я о с в е щ е н и е . Пусть термостолбик получает прерывистое освещение через вращаю­ щийся поглотитель от источника со строго постоянной энергетиче­ ской силой света. Электрический источник излучения в таком случае должен питаться постоянным током. Пусть освещенность без погло­ тителя есть Еб. Поглотитель пропускает долю света т, так что сред­ няя за период освещенность Еср, получаемая от деления количества освещения Q (за время периода) на его продолжительность Т, —

Еср = Q/T = х -Еб.

Средняя за период термоэлектродвижущая сила еср или средний ток /ср составят долю т от еб и i6, которые получаются при Еб, т. е. равенства

щенностью и термоэлектродвижущей силой в пределах от 0 до Еб.

он поверялся. При этом электроизмерительная установка не должна изменять правильность своих показаний при измерениях периодически меняющегося тока или напряжения одного направления. При отсут­ ствии указанных условий следует поверять термостолбик вместе с вращающимся поглотителем.

157

Если термостолбик получает колеблющееся освещение, например, при питании источника света переменным током, то совпадение показаний термостолбика при постоянном освещении со средним (арифметическим) значением колеблющегося освещения будет про­ исходить при тех же условиях, какие указаны для прерывистого освещения.

Практика поверок и тщательных испытаний термостолбиков и тер­ мопар разного изготовления была незначительной по объему- и по ней затруднительно сделать обобщения. Встречались термостолбики, для которых равенства (83. 1) оказывались справедливыми в преде­ лах неточности около ± 1%, даже при малом раскрытии вращающихся поглотителей до 0,01. Ыо встречались случаи и гораздо более зна­ чительных отступлений.

Если дело идет об измерении только одной кратковременной вспышки света, то количество электричества в цепи термостолбика или термопары, возникшее под влиянием вспышки, окажется прямо пропорциональным количеству освещения при соблюдении у прием­ ников прямой пропорциональности между освещенностью и силой тока при длительном освещении в пределах от 0 до Еб, как и раньше.

в цепи термоприемника может быть измерено по отбросу баллистиче­ ского гальванометра.

В о с п р и н и м а ю щ а я и з л у ч е н и е п л о щ а д ь .

Термопара представляет собою, как указывалось, две спаянные тонкие проволочки или ленточки; в некоторых случаях к месту спая крепится маленькая и тонкая металлическая зачерненная пластинка с целью увеличить приемную поверхность в направлении ширины, т. е. перпендикулярно-к линии проволочек. Если источник излуче­ ния создает одинаковую освещенность по площади термопары и если

мостолбика) оказываются прямо пропорциональными ширине щели. В зависимости от устройства термопары, в частности, от близости холодных концов к термоспаю, пределы пропорциональности оказы­ ваются разными. Они связаны также с близостью уровня измеряемой освещенности к границам прямой пропорциональности между осве­ щенностью и термоэлектродвижущей силой, и пределы суживаются именно при приближении к границам. У некоторых термопар удов­ летворительная степень пропорциональности наблюдалась в преде­ лах ширины щели от 0,2 до 3 лаИ, у других же и несколько более. При очень узких щелях, примерно 0,2 мм и менее, сказываются несо­ вершенства в механизме, раздвигающем щель, и в отсчетом устрой­ стве. В обычных лабораторных условиях при малом нагреве термо­ пар нет прямой необходимости в том, чтобы узкий пучок энергии падал на термоспай строго равносторонне (симметрично). Не имеет также особенного значения неравномерность энергетической осве­ щенности по приемной поверхности, если пучок' достаточно узок:

термопара дает показания пропорционально полученной энергии,

188

Й з м e p e и и я н а п p я ж е н и я и с и л ы т о к а . Напря­ жение измеряют потенциометрами (компенсаторами), которые особо делаются для таких измерений; их отличием является малое сопро­ тивление, например 90—150 ом, и отсутствие внутренних термоэлек­ тродвижущих сил. Измерения обыкновенно делаются двояко: при прохождении тока в потенциометре в одном направлении и в проти­ воположном. При измерении очень малых напряжений приходится идти на некоторое усложнение измерений. На рис. 83.1 изображено соединение приборов. Термостолбик Т через очень чувствительный малоомиый гальванометр присоединен к сопротивлению t\. Оно включено во вспомогательную цепь, составленную из другого сопро­ тивления Го, реостата с переменным и очень плавно меняющимся

вление и очень большую чувствительность.

Так как термоэлектродвижущая сила при измерениях лучистой энергии очень мала, то усиление электронными лампами при обычном усилителе невозможно; считается, что менее 0,01—0,1 мв нельзя

то для измерений подбирают гальванометр, внутреннее сопротивле­ ние которого приблизительно равно сопротивлению термостолбика. Период колебаний должен быть возможно меньше, например 2—3 сек. Внешнее критическое сопротивление также должно быть возможно меньше. В некоторых случаях, чтобы устранить или уменьшить влияние посторонних термоэлектродвижущих сил, всю измеритель­ ную цепь, включая обмотку гальванометра, делают из медной про­ волоки одного и того же происхождения. Для облегчения измерений идут на значительное удаление шкалы от зеркальца гальванометра (до 10 м)\ чтобы получить четкое изображение шкалы в отсчетной

189

Для удвоенья угла отклонения светового луча гальванометра

Применяются еще оптические приемы усиления слабых токов. Например, ток от термостолбика проходит через чувствительный гальванометр, но непосредственно не измеряется. На зеркальце гальванометра по способу Молля и Бургера направляется сильный пучок света, который после отражения от зеркальца первого гальва­

заключается в том, что пучок света, отраженный первым гальва­ нометром, делится на две части (одной или двумя неподвижно рядом поставленными стеклянными призмами полного внутреннего отра­ жения), причем каждая часть направляется на отдельный селеновый (или иной) фотоэлемент. Фотоэлементы могут быть включены, напри­ мер, последовательно, причем другой гальванометр включается параллельно обоим фотоэлементам (см. рис. 86. 4). При отсутствии тока в цепи термостолбика (или термопары) первый гальванометр занимает нулевое положение; настраивают (например, перемещая призмы) измерительную цепь с освещенными фотоэлементами так, чтобы ток через второй гальванометр не шел и он занимал нулевое положение. При прохождении тока по первому гальванометру его зеркальце (хотя бы и немного) поворотится. Тогда произойдет пере­ распределение отраженного от зеркальца света между фотоэлемен­ тами и по второму гальванометру пойдет ток, равный разности токов

190