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

в селеновых фотоэлементах. Эту разность 'путем надлежащего йоД-

с которыми помещены решетки. Перед плоским зеркальцем гальва­ нометра стоит проекционная линза, с помощью которой изображения

Рис. 83.4. Упрощенная схема устройства фотоэлементного оптического уси­ лителя.

1 — лампы; 2 — объективы; 3 — решетчатые диафрагмы; 4—фото­ элементы; 5 — проектирующие объективы; 6 — гальванометры.

решеток отбрасываются на фотоэлементы. Перед ними расположены свои решетки, причем размеры их одинаковы с размерами изображе­ ния решеток. При очень малом отклонении гальванометра смещение изображения сильно изменит освещение обоих фотоэлементов.

191

Имеется второй гальванометр, который также получает на зеркальцб два пучка света, отбрасываемые на два других фотоэлемента. Каждые два фотоэлемента, из которых один освещается первым, а другой вторым гальванометром, соединены последовательно. Разность токов первых двух фотоэлементов идет во второй гальванометр, а еще боль­ шая разность от остальных идет в третий измерительный гальвано­ метр. Прибор по данным изготовителя обладает очень большим уси­ лением, может измерять напряжение на термопаре, начиная с 10-9 в, что отвечает получаемой ею мощности в 10~й в/п. Прибор настраи­ вается изготовителем именно на измерение очень малых мощностей. При надобности в измерениях свыше некоторого предела требуется изменение настройки. Пропорциональность между освещенностью термопары и отклонениями измерительного (третьего) гальванометра подлежит отдельной опытной поверке; по данным изготовителя такая пропорциональность существует.

Чтобы усилить токи от термостолбиков, что непосредственно не удается, их делают прерывистыми, например, с помощью вращаю­ щегося прерывателя. Помощью трансформатора получают затем переменный ток повышенного напряжения, который и усиливается

нить полностью тепловые помехи при измерениях термостолбиками и термопарами (и вообще тепловыми приемниками). Имеются разно­ образные потоки воздуха, хотя бы и слабые, и разные источники лучистой энергии. Источниками помех могут быть окна, обогреватель­ ные приборы, стены комнаты при меняющейся их температуре, наблюдатели и т. д. Для более спокойной работы недостаточно огра­ ничиться только применением уравновешенных термопар. Необхо­ димо приемник насколько возможно полнее окружить защитной оболочкой. В качестве такой в более ответственных случаях приме­ няют термостат. В других случаях — это толстостенный металличе­ ский ящик с отверстием, сквозь которое поступает измеряемая лучистая энергия.

Вполне удовлетворительной является многослойная оболочка, изображенная на рис. 83. 5. Приемник со всех сторон окружен обо­ лочкой, представляющей несколько металлических (медных, или латунных, или алюминиевых) цилиндров с закрытыми .торцами; оставлены отверстия для прохождения измеряемой энергии. Внут­ ренний цилиндр чернится (химическим травлением, а не нанесением слоя черной краски). Следующий делается полированным (он может никелироваться при подходящем металле оболочки). Третий цилиндр делается, как и внутренний, черным матовым. Наконец наружный — полированный. Такая оболочка очень хорошо защи­ щает от внешней лучистой теплоты.

При самых сильных защитах все же иногда не удается устранить помехи для всей измерительной цепи, в которой могут оказаться местные вредные термопары с иной температурой, чем у других кон-

192

следует в цепь включать сопротивления в несколько десятков ом и более для уменьшения тока.

Нужно некоторое время не только для того, чтобы электрический ток в цепи термостолбика установился, но и для того, чтобы подвиж­ ное устройство гальванометра заняло свое окончательное положение. Это время лучше всего определить опытным путем, применительно к дайной измерительной установке. В качестве частного примера можно указать, что некоторый гальванометр с периодом в 1 сек в условиях небольшого сопротивления цепи термопары через 2 сек достигал лишь 0,9 своего полного отклонения.

Измерения тепловыми приемниками, в которых придается значе­ ние достигаемой точности, начинают производить лишь после того, как помещение для работы и находящиеся предметы приняли устой­ чивую или медленно изменяющуюся температуру. В связи с этим измеряемый источник излучения, если он значительной мощности (десятки ватт п более) следует включать за 1—2 часа до измерений.

Измерительные цени с термопарами и термостолбиками имеют сравнительно малое электрическое сопротивление и потому легче подвержены воздействию внешних переменных электромагнитных полей, чем, например, цепи фотоэлементов, в большинстве случаев имеющих во много раз большее сопротивление. Приходится приме­ нять ряд предосторожностей: провода (прямой и обратный — в смысле направления тока) свиваются вместе, у них не делается никаких лишних петель; они, по возможности, помещаются в зазем­ ленную металлическую оболочку. Избегают также контактных элек­ тродвижущих сил, для чего устраняют излишнее разнообразие в при­ меняемых металлах (например, железные зажимы при медных прово­ дах).

Чувствительные гальванометры нуждаются в устранении тряски и механических колебаний. Они помещаются на висячих полках с длиной подвеса около 2 м, причем снизу полок делается приспособ­ ление для успокоения колебаний (вата, опилки, сосуды с маслом). Оправдывает себя также настольная стойка с подвесом, внизу кото­ рого имеется один над другим 3—4 плоских сосуда с маслом для успо­ коения. Только если будут приняты все предосторожности, измери­ тельная установка не будет испытывать помех, которые иногда делают работу невозможной, особенно в больших городах (и в боль­ ших институтах), где много источников всяких помех.

З а м е ч а н и е о ф л ю к т у а ц и я х . Флюктуациями назы­ вают случайные отклонения физической величины от ее среднего значения, происходящие без внешних воздействий как бы произ­ вольно. При измерениях очень малых разностей температур, малых

туациоииые помехи окажутся соизмеримыми с определяемыми вели­ чинами. Помехи такого вида сказались бы, например, в том, что нуле­ вое положение весьма чувствительного гальванометра, замкнутого на неосвещаемый термостолбик и при отсутствии внешних помех, было бы подвержено колебаниям. В одной из работ (Молля и Бургера)

1 94

флюктуационные помехи при измерениях тока от термостолбиков оценивались в 10-9 а. Однако в обычных лабораторных условиях так трудно избавиться от разного рода малых внешних помех, что глав­ ная опасность для измерений проистекает от них и внимание прежде всего должно быть обращено на их устранение. В практике ВНИИМ измерялись термоэлектрические токи значительно меньшие 10-9 а без обнаружения флюктуаций (которые пока еще не были причиной помех в самых тонких измерениях ВНИИМ). Впрочем, размер флюк­ туаций зависит от свойств данной измерительной цепи и применен­ ного измерительного прибора, который может иметь собственные флюктуации.

84.Избирательные физические приемники. Действие света одно

итой же мощности, но разных длин волн видимого спектра на ряд физических приемников оказывается неодинаковым. Такие прием­ ники называют избирательными. Число видов их довольно значи­ тельно и еще нет оснований считать, что оно перестанет увеличи­ ваться. Но далеко не все виды оказываются удобными для практиче­ ского использования. Так как мощность измеряемых видимых излу­ чений обыкновенно довольно мала, то оказались наиболее удобными приемники, в которых под действием света возникают те или иные

электрические явления или изменения электрических свойств. Это потому, что электроизмерительная техника для области малых токов и напряжений очень развита и выработала много весьма чувст­ вительных приборов и способов их применения, притом иногда с высо­ кой степенью точности. Соответственно в световых измерениях употребляют почти только фотоэлектрические приемники и именнофотоэлементы. В практику вошли как наиболее удобные: 1) селеновыефотоэлементы с запорным слоем (вентильные), в которых под влия­ нием света возникает электродвижущая сила и идет ток во внешней цепи; 2) висмуто-цезиевые, сурьмяно-цезиевые и кислородно-цезиевые фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых под действием света идет ток, если приложена внешняя электродвижущая сила. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом могут быть пустотными и газополными, эти последние имеют давление газа около 0,01 мм рт. столба.

Начинают входить во все большее употребление такие фотоэле­ менты с внешним фотоэффектом, в которых ток одновременно усили­ вается вследствие вторичной электронной эмиссии; эти приборы полу­ чили название ф о т о у м н о ж и т е л и .

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, иначе — фотосопротивления (из селена, селена-теллура, сернистого таллия— таллофидные, из сернистого свинца и др.) для световых измерений обыкно­ венно не применяются. Однако успехи в создании новых фотосопро­ тивлений, уже достигнутые, могут изменить положение дела. Герма­ ниевые фотосопротивления, например, имеют чувствительность около 30 ма/лм при освещении вольфрамовой лампой, но, конечно, за счет широкой полосы спектра: от 300 до 2000 нм. Запаздывание показаний (инерция) у фотосопротивлений меньше, чем у термопар и болометров: оно в некоторых случаях составляет несколько десятков или

Немного сотен микросекунд. Усилители переменного тока могут при­ меняться при частоте 800—100 гц, что позволяет иметь значительное усиление. В итоге порог чувствительности фотосопротивлений дости­ гает 10“ 11 вт и менее, при площади около 10 мм2и менее. В настоящее время фотосопротивлеиия являются самыми чувствительными прием­ никами лучистой энергии. Вот почему и можно ожидать применения фотосопротнвлеиий в области чисто световых измерений. Но пока еще фотоэлементы оказываются более пригодными. Надо напомнить, что длинноволновая граница спектральной чувствительности фото­ сопротивлений простирается далее, чем у фотоэлементов, упомяну­ тых выше.

Обычно не применяются при световых измерениях фотоэлементы с запорным слоем: меднозакисные, серписто-таллневые, сернистосеребряные. Фотоэлементы из разных чистых металлов находят при­ менение при световых измерениях лишь как исключение. В дальней­ шем описываются только наиболее употребительные виды. Они и лучше изучены.

Из других избирательных физических приемников в дальнейшем кратко описываются только фотографические слои. Но тут же сле­ дует упомянуть, что применение для световых измерений почернения под действием света фотографических слоев обычно в светотехнике не находит себе места. Однако в других областях науки и техники

тральную чувствительность к свету, одинаковую с такой же глаза, точнее — с относительной видпостыо. Но пока еще нет таких прием­ ников. Однако если спектральная чувствительность приемника имеет некоторое хотя н разное, но количественно доступное для изме­ рений значение по всему видимому спектру, то можно присоединить к приемнику такой поглотитель света, который как бы подгонит спектральную чувствительность к относительной видпости. Именно, пусть общая чувствительность к свету избирательного приемника 5

Спектральные коэффициенты пропускания исправляющего погло­

где с — коэффициент пропорциональности, a Vk — относительная

Равенство (84. 1) справедливо не для всех приемников. Если же для некоторых и справедливо, то в пределах освещенности, ограни­ ченных какими-либо нижним и верхним уровнями; может быть необ­

196

ходимо соблюдение других ограничительных условий, например, отсутствия влияния температуры или перегрева чувствительного слоя.

Исправляющие поглотители приходится подбирать опытным путем (п. 90). Они поглощают часть света, иногда даже значительную и тем ощутимо снижают общую чувствительность приемника. Изби­ рательный приемник световой энергии один или в сочетании с погло­ тителем — обладает рядом неудобств или даже недостатков при упот­ реблении для световых измерений. Тем не менее, преодолевая неудоб­ ства или мирясь с недостатками, внедрение физических световых измерений в практику оказалось не только обширным, но даже в ряде случаев и преобладающим; там, где зрительные'световые изме­ рения не стали бы и применять, физические легко находят себе место.

Наличие избирательности в спектральной чувствительности физи­ ческих приемников не служит препятствием для применения их при световых измерениях, если все эти измерения совершаются при отсутствии каких-либо изменений в составе спектра света.

В некоторых случаях изменения спектра, например, при сравне­ нии электрических ламп накаливания, горящих при разных цвето­ вых температурах, не столь значительны, и погрешностью, возни­ кающей из-за избирательности приемника, можно пренебречь. Так, например, поступают в измерениях освещенности селеновыми люксметрами при отсутствии у них исправляющих поглотителей. Иногда применяют поправочные множители. Так, поверив селеновый люксметр без поглотителя при лампах накаливания, применяют его -при люминесцентных лампах, вводя множитель, установленный опытным путем (например, для других схожих приборов: 0,85). Такие поправки могут быть определены и расчетным путем.

Пусть спектральная чувствительность приемника для длины волны ЯестьЗд,. Пусть распределение мощности по спектру дается как мощность РоХ, приходящаяся на участок спектра длиною А Я, причем весь спектр разбит на такие равные участки. Тогда показания прием­ ника г0 определяются выражением:

При ином распределении мощности на ту же ширину участка А Я приходится мощность Рх, и показание приемника i определяется так:

от показаний г при спектре 2 Р% к показаниям t0 при спектре Л,Р0х- Спектр 2 Рх может принадлежать другому источнику света или тому же, но измененному, например, после прохождения сквозь

197

Найденный поправочный множитель не учитывает относитель­ ную видность и, следовательно, он применяется в световых измере­ ниях, когда ее особо не нужно учитывать. Сюда относится и упомя­ нутый пример селенового люксметра.

И з м е р е н и я по ф о т о г р а ф и ч е с к о м у п о ч е р - н е н и ю. Почернение фотографических слоев зависит от количества освещения. Спектральная чувствительность их в разных частях спектра неодинакова. Вместе с тем общая чувствительность по отдельным местам также неодинакова; поэтому измерения, т. е. получение фотоснимков, следует несколько раз повторять. Почерне­ ние зависит также от условий проявления, и эти условия выбираются строго определенными (см. стандарт «Метод общесенситометрического испытания», ГОСТ 2817-50).

Измерения света по почернению не удается выполнять скольконибудь надежно и с малой погрешностью вследствие трудности в устранении постоянных погрешностей. Этим способом световых измерений пользуются, можно сказать, в последнюю очередь, когда другие способы применить невозможно.

Для исключения постоянных погрешностей обыкновенно приме- • няют такой прием. На одном и том же фотографическом слое (т. е. на одной пластинке, бумаге и т. д.) делают снимок при освещении от измеряемого света и затем на соседнем участке слоя несколько снимков — от известного источника, с тем же спектральным составом,

щения дают одинаковое для всех снимков, а освещенность от извест­ ного источника делается разной, например, помощью «фотографиче­ ского клина» (п. 97), изменением ширины щели и т. д. После проявле­ ния, помощью измерений плотности почернения на «денситометре» или на микрофотометре (см. п. 151) отыскивают почернение на снимке

от обоих источников, причем она становится известной, так как вто­ рой источник известен. Если клин ступенчатый, то применяют при отыскании равных почернений интерполирование, пользуясь ниже­ приведенной формулой.

Денситометр — прибор для определения коэффициента пропуска­ ния света или оптической плотности у негатива. В некоторых случаях он устраивается для измерения света, прошедшего в одном направле­

(п. 35) или, точнее, как десятичный логарифм отношения коэффи­ циента пропускания иеосвещавшегося (для почернения) места фото­ графического слоя т0 к коэффициенту пропускания освещавшегося места т:

198

В зависимости от свойств фотографического слоя для него суще­ ствует более или менее протяженный участок изменения плотности

от освещенности, для которого устанавливается прямолинейная зависимость;

^0

где у — коэффициент пропорциональности, являющийся мерой кон­ трастности слоя;

Е — освещенность, вызвавшая измеряемое почернение, а Е0 — некоторая условная освещенность, которую находят гра­

фически.

Именно, строится зависимость D от lg£; Е0—отрезок на оси абсцисс от пересечения ее прямолинейной частью линии, изображающей данную зависимость (Е0 является

у которых сопротивление изменяется под действием света, теперь для световых измерений не применяются. Оми впервые были открыты в 1873 г.; опыты по их использованию для световых измерений не обнаружили каких-либо преимуществ.

(у некоторых изготовителей — никелированной) (рис. 85. 1) нахо­ дится слой селена, более или менее определенной толщины, (например, 0,08—0,1 мм). По принятому чаще всего способу изготовления в СССР

селен наносится путем испарения в пустоте. Слой селена получается темновато-серого цвета. При другом способе изготовления, напри­ мер, при прижимании порошка селена с надлежащим нагревом, получается другое кристаллическое строение и слой выглядит почти черным. Принято чаще всего добавлять к слою путем катодного рас­ пыления кадмий; есть мнение, что кадмий содействует сохранению постоянства чувствительности. Затем катодным распылением наносят очень тонкий (например, 4 нм) прозрачный (например, с коэффициент том пропускания 0,33) слой металла (золота или платины), который служит электродом. На внешнем крае последнего помещается

199