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

па пучок света, освещающий фотоэлемент, и отчасти на набор (мага­ зин) сопротивлений НСх (его сопротивление должно быть близким к критическому для гальванометра) при разомкнутом выключателе В и при измерении поверочного образца с коэффициентом яркости, например, 0,700. Теперь замыкают включатель В, на потенциометре (компенсаторе) устанавливают 0,07000 или кратное число и подбирают такие сопротивления в наборе ЯС2 (десятки и сотни тысяч ом, в зави­ симости от чувствительности гальванометра, чувствительности фото­ элемента, его освещенности и т. д.) и в реостате переменного сопро­ тивления Р, чтобы ток через гальванометр стал равным нулю. Сле­ дует обратить внимание, что первое описанное действие — получе­ ние отсчета по гальванометру в 70,0 при разомкнутом выключателе — вовсе не является обязательным; вполне возможно сразу добиваться нулевого положения гальванометра при замкнутом выключателе В, как описано выше во втором действии. Но при этом надо достичь и того, чтобы изменению показания потенциометра на 0,0001 (без изменений сопротивлений в цепи) отвечало отклонение гальвано­ метра на 1 деление. Далее поверочный образец заменяется испытуе­ мым изделием, оставляя без изменений электрическую измеритель­ ную цепь. В таком случае отклонения гальванометра, которые в вы­ бранном примере могут быть в обе стороны от нулевого положения, дают разность тока между значениями его при образце и при изделии например — 2,7 или +3,8. Эти показания отвечают коэффициентам яркости изделий 0,700—0,002, = 0,6973 и 0,700 + 0,0038 = 0,7038.

Чтобы действительно получить такую точность, надо повторить изме­ рения несколько раз, меняя по очереди: образец, изделие, опять образец, вновь изделие и т. д.

Нетрудно видеть, что если коэффициент яркости равен, напри­ мер, 0,692, то при подборе тока в цепи удобно на потенциометре ста­ вить цифру 0,07000 и затем следует добиваться тока в гальванометре— 8, а не нуль, чтобы упростить дальнейшие подсчеты. При этом, как

и добиться отсутствия тока в гальванометре при образце, одновре­ менно подогнав имеющиеся сопротивления в цепи так, чтобы откло­ нение гальванометра на одно деление отвечало изменению показа­ ния потенциометра, например, на 0,001, то при измерении изделий

в случаях применения способа замещения перед фотоэлементом изде­

Поиски таких способов применения селеновых фотоэлементов, кото­ рые не приводили бы к большим погрешностям и вместе с тем не сопро­ вождались бы большими усложнениями в измерительной установке, побудили обратиться к способу замещения, являющемуся, как известно, основным способом для очень многих точных измерений.

Способ замещения может иметь разные видоизменения, требующие двух или одного фотоэлемента (см. ниже), причем сравнение изме­ ряемого пучка света с некоторым известным производится или путем количественного изменения одного из сравниваемых пучков света, или путем измерений тока.

Селеновый фотоэлемент Фх (рис. 86. 4) находится на неизменном расстоянии от лампы сравнения Лс и получает постоянную освещен­ ность. Навстречу ему (т. е. последовательно) включен другой фото­ элемент Ф2, который может очень быстро поворачиваться на пол-

на фотоэлемент Ф2. Теперь фотоэлемент Ф„ быстро, чтобы он не успел отдохнуть, поворачивают к образцовой лампе Л 0и, перемещая ее (или перемещая фотоэлемент Ф2 вместе с лампой сравнения и фотоэлемен­ том Фх), добиваются отсутствия тока в гальванометре; это означает, что ток в цепи фотоэлементов такой же, как и при освещении фото­ элемента Ф2 от лампы сравнения. Повороты фотоэлемента Ф2, под­ гонку расстояния до образцовой лампы и уравнивание с фотоэлемен­ том Фх, когда фотоэлемент Ф2 освещается от лампы сравнения, при­ ходится делать несколько раз, пока не будет достигнуто устойчивое состояние фотоэлементов, что определяется по отсутствию тока в гальванометре.

Далее образцовая лампа заменяется измеряемой и с нею про­ делывается то же, что описано для образцовой лампы. После уравни­ вания можно считать, что ток в цепи фотоэлементов такой же, как и при освещении фотоэлемента от лампы сравнения или от образцовой лампы. Если спектральный состав света у измеряемой и у образцовой лампы одинаков (см. п. 147), то надлежит считать, что фотоэлемент Ф2 получал одинаковую освещенность от образцовой и от измеряемой

212

ламп. Отсюда можно вычислить их силы света (п. 108). Если фото элементы подобраны, то описанный способ измерений может быть очень точным, например, с погрешностью в 0,05% или даже ниже; погрешность от световых измерений становится меньше других погрешностей — измерения расстояний, правильности установки ламп и др.

Описанный способ применяется в Международном бюро мер и весов как самый точный по сравнению с другими известными. Он является в чистом виде способом замещения в том смысле, что измеряемая и известная освещенности фотоэлемента, т. е. два срав­ ниваемых пучка света, вполне одинаковы, причем выравнивание их достигнуто путем воздействия на переменное расстояние, а не на электрическую часть фотоэлементов.

Нетрудно видеть, что фотоэлемент Фг можно заменить каким-либо источником электрической энергии, например, гальваническим эле­

описанного выше способа замещения с применением сдвоенных фото­ элементов, есть возможность обходиться с одним фотоэлементом, сохраняя способ замещения полностью или частично. Смысл этого заключается в том, чтобы при сравнении двух или более пучков света в измерительной установке не менялось или почти не менялось то, что является в ней наименее надежным. Отсюда следует, что фотоэлемент должен находиться при измерениях в одинаковых или приблизи­ тельно одинаковых условиях освещения. Следовательно, надо в таких случаях как-либо воздействовать на пучок света. Удобнее обра­ титься к примерам.

Пусть требуется определить силу света I некоторого источника по сравнению с силой света известного образцового — / 0. Можно сравниваемыми источниками по очереди освещать селеновый фото­ элемент на одном и том же расстоянии I и 10, получив соответственные силы токов г и г0:

Но чтобы повысить точность измерений, поступают иначе. Именно, способ замещения в его чистом виде требует, чтобы селеновый

213

для чего надобно перемещать одну или обе лампы (см. п. 108) или как-либо иначе количественно изменять свет.

Если надо определить общий коэффициент пропускания цветного стекла т (при источнике света с известным спектральным составом) помощью селенового фотоэлемента, то прежде всего необходимо снабдить его исправляющим поглотителем. Затем, в случае приме­ нения способа замещения, необходимо иметь приблизительно оди­ наковое цветное стекло, например, поверочное, измеренное во ВНИИМ, общий коэффициент пропускания т 0 которого известен (при том же спектральном составе). Измерения ведут так, что по оче­ реди помещают известное и подлежащее определению стекла в пучок света, освещающий фотоэлемент, причем добиваются одинаковой силы тока в фотоэлементе при каждом стекле. Если для этого пере­

‘о

(см. п. 137). Если нет необходимости стремиться к наибольшей точности, то не добиваются одинаковой освещенности и источник света оставляют неподвижным. Тогда

следовательно:

k — коэффициент пропорциональности.

Итак, при способе замещения не всегда применяют полное урав­ нивание. Однако в случаях его отсутствия стремятся, чтобы изме­ нение тока (при двух и более сравнительных измерениях) было незначительно, так как в таком случае погрешность от отсутствия прямой пропорциональности между силой тока и освещенностью

более широких пределах измерений при одном и том же электроиз­ мерительном приборе, прибегают к освещению лишь части его пло­ щади, заслоняя остальную от света. Однако при частичном освеще­ нии фотоэлемент оказывается гораздо менее устойчивым. Поэтому

214

такого применения следует избегать. Оно все же возможно при способе замещения, при котором погрешность из-за уменьшения устойчивости может быть сильно сокращена путем многократного повторения измерений. Поверку селенового фотоэлемента на зави­ симость тока от освещенности при использовании не всей площади производить не следует, если имеется в виду дальнейшее применение полученных данных в течение некоторого длительного времени, — из-за сомнений в неизменной сохранности этих данных (см. ниже).

П о в т о р е н и е и з м е р е и и й. Так как селеновый фото­ элемент не является вполне устойчивым измерительным прибором и его показания подвержены колебаниям из-за утомления и запазды­ вания, то возникает вопрос об увеличении точности измерений путем многократного повторения измерений. Увеличение числа наблюдений для повышения их точности, как известно, вполне обосновано, когда погрешности измерений имеют случайный харак­ тер. По существу дела колебания в показаниях селенового фотоэле­ мента при их повторении следовало бы считать закономерными. Однако эта закономерность еще не приведена в достаточную ясность даже в смысле надежных количественных опытных данных. Для данного фотоэлемента можно предвидеть лишь направление (знак — плюс или минус) влияния утомления и запаздывания, без точного количества. При этом влияние в смысле количественном скорее можно сосчитать случайным.

Отсюда следует, что для уменьшения погрешностей итога измере­ ний действительно можно и надо увеличивать число наблюдений; однако надобно ставить измерения так, чтобы было одинаковое число наблюдений с завышенными показаниями и с заниженными. Иными словами, наблюдения ведутся так, как, например, в измери­ тельных приборах с мертвым ходом у закрепленного на гайке указа­ теля, перемещаемого ходовым винтом: производят отсчеты при одном направлении вращения винта и при обратном и за действительное значение измеряемой величины принимается среднее из двух (или большего четного числа) отсчетов. Следовательно, надо бы произ­ водить повторные измерения с неутомленным и с немного утомлен­ ным селеновым фотоэлементом; однако такое правило оказывается

При измерениях по способу замещения, чередуя их то в одном, то в другом пучке света, создают условия, наиболее приближаю­ щиеся к возникновению случайных погрешностей, и потому при повторении измерений достигается повышение точности. .

Если же селеновый фотоэлемент применяется для прямых изме­ рений при освещенностях, меняющихся в широких пределах, то повторение измерений во всех случаях полезно. Но более надеж­ ный итог их получится лишь при соблюдении основного правила, разъясняемого далее: надо градуировать (поверять) селеновый фото­ элемент насколько только возможно в тех же условиях, в которых он применяется при дальнейших измерениях,

213

П о в е р к а ( г р а д у и р о в к а ) ф о т о э л е м е н т а . Здесь делается лишь отдельное замечание, имеющее особенное значение для селеновых фотоэлементов как не относящихся к числу надеж­ ных приборов. Про поверку селеновых фотоэлементов довольно трудно сказать, в течение какого срока она сохраняет свою силу. Вновь изготовленные и предварительно состаренные (см. п. 85) фотоэлементы следует поверять чаще, чем уже длительно испытан­ ные. Так, в первое время поверку производят через 2—3 месяца, затем реже, но не более 6 месяцев. Повторная поверка ведется в немно­ гих точках, если они совпадают с данными предыдущей поверки. Поверка, как и вообще у всех приборов, повторяется после того, как фотоэлемент подвергся какому-либо неблагоприятному и опас­

и порядок ее известен; тогда полную поверку фотоэлемента можно произвести ранее работы на распределительном фотометре. Если же работа ставится впервые, то лучше фотоэлемент поверить полностью позже, а перед работой поверить лишь в немногих точках, чтобы потом судить об отсутствии заметных изменений в чувствительности.

' До работы и до поверки фотоэлемент выдерживается в темноте, но перед ними предварительно освещается, как уже указывалось, в течение получаса при среднем уровне освещенности. При работе на распределительном фотометре надо кроме всех других наблюдений записывать еще время. Тогда условия работы фотоэлемента выра­ зятся зависимостью электрического тока от времени, например, как показано на рис. 86. 6. При последующей поверке для нахожде­ ния зависимости между током и освещенностью надо, соответственно подбирая освещенность, повторить ту же последовательность изме­ нения тока во времени, что была и при измерениях на распредели­ тельном фотометре. Но, вероятно, вполне возможно сократить время раза в два, как показано на рис. 86. 6. Такой способ поверки наиболее надежен. Конечно, он не всегда возможен и на практике идут на какие-либо упрощения. Другое важное соображение, отно-

216

сящееся как к поверке, так и к применению, заключается в том, чтобы избегать на протяжении короткого времени (нескольких минут) значительного изменения освещенности, особенно при ее умень­

не один, а два и более фотоэлемента, чтобы каждый измерял неко­ торый ограниченный предел изменения освещенности. При этом электроизмерительный прибор может быть одним и тем же. Изло­ женное соображение надлежит особенно учитывать при употребле­ нии селенового люксметра для широких пределов изменений опре­ деляемой освещенности, например, на заводах, в течение короткого времени.

П р е д о с т о р о ж н о с т и п р и и з м е р е н и я х с е л е ­ н о в ы м ф о т о э л е м е н т о м . В печати полные сведения о свой­ ствах селеновых фотоэлементов и именно о некоторой неустойчи­ вости их показаний появились гораздо позже, чем началось широкое

иразнообразное употребление их на практике. В итоге происходили

ипродолжают происходить немало разочарований и недоразуме­ ний из-за излишней доверчивости к их показаниям и из-за недоста­ точного внимания к условиям, при которых погрешность измерений

иих устойчивость становятся приемлемыми для практики. В пре­ дыдущем изложении поэтому на принятие возможных мер предосто­ рожности обращалось соответственное внимание. Световые измере­ ния селеновыми фотоэлементами часто представляются самыми про­ стыми. Нередко в практике несветотехнических лабораторий (напри­ мер, в химических при колориметрическом анализе) потому и согла­ шаются в каких-либо случаях прибегать к световым измерениям, что при селеновых фотоэлементах они кажутся простыми, наглядными

иточными. Вот если нуждаются в точности, хотя бы и в пределах 5—10%, то заботиться о предосторожностях и в первую очередь об изучении свойств данного имеющегося фотоэлемента — совер­ шенно обязательно.

87.Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. У с т р о й с т в о

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом по устройству отличаются большим разнообразием. Отчасти это явилось наследием предыдущих поисков и накопленного опыта, отчасти же объясняется условиями изготовления, которые оказывают значительное влияние на устрой­ ство и вместе с тем существенно ограничивают возможности получе­ ния таких фотоэлементов, которые наиболее подходят для световых измерений.

Фотоэлементы изготовляются теперь для самых разнообразных надобностей (рис. 87. 1). Особенно большое количество делается их для звукового кино (например, типы СЦВ; см. ниже). Для све­ товых измерений фотоэлементы с внешним фотоэффектом пока особо не изготовляются, но начали изготовляться для спектральных изме­ рений. Применяют или фотоэлементы, имеющие общее или другое назначение, или же изготовляют по отдельному заказу.

В основных чертах устройство фотоэлемента является таким. Стеклянный сосуд, шаровой или цилиндрический, из бесцветного

217

кам снаружи сосуда, Фотоэлементы бывают пустотными (иначе — вакуумными) и газополными. Для измерительных целей обыкновенно применяют пустотные. Электрическое напряжение, которое наиболее удобно для лучшего использования фотоэлемента, зависит от его устройства; на практике встречаются напряжения от 6 и до 220 в.

Фотоэлементы, разработанные ВНИИМ на основе видоизмене­ ния фотоэлемента Жилло и Бутри и изготовленные Ленинград­ ским институтом киноинженеров по им разработанному способу (рис. 87. 2, 87. 3), предназначены именно для'световых измерений, в частности, спектральных, и имеют несколько иное устройство, чем вышеописанное. Стеклянная трубка на одном конце имеет вваренное плоское оптически правильное стекло. Плоскость его не перпендикулярна к оси трубки, а несколько наклонена, так что угол между перпендикуляром к этой плоскости и осью составляет

ную пластинку, наклоненную к оси трубки под углом около 45°, но для некоторых измерений, например на светомерной скамье (п. 110), удобнее выбрать 80°. На пластинке нанесен светочувствительный слой. Свет, упавший на катод и им частично отраженный, не выйдет наружу в направлении, прямо противоположном входящему: он отра­ жается на анод и от него частично отражается на катод же, что содей­ ствует повышению общей чувствительности фотоэлемента. Анод представляет металлическую цилиндрическую оболочку, вытяну­ тую вдоль входящего пучка света. Один конец загнут вокруг катода, чтобы охватить со всех сторон вылетающие под действием, света электроны. Другой конец имеет щиток с отверстием для пре­ дохранения внутренней стенки цилиндра от попадания света извне.

Фотоэлемент изготовляется пустотным. Его рабочее напряже­ ние 6—10 в (см. далее). Светочувствительный слой делается, по надоб­ ности, сурмяно-цезиевым, кислородно-цезиевым или висмуто­ цезиевым.

Условия применения фотоэлементов в световых измерениях довольно разнообразны. Только что описанное устройство приспо­ соблено для применения в измерениях, в которых расстояние между фотоэлементом и источником света не меняется (или по каким-либо причинам не входит в расчеты). Если же расстояние входит в вычи­ сления, то катод предпочтительно помещать перпендикулярно к падающим лучам, чтобы точно отсчитывать расстояние, причем положение катода должно быть видно и удобно расположено для выполнения отсчетов расстояний.

219

Если при измерениях поверхностная плотность пучка света не изменяется, то обыкновенно несущественно, чтобы входное окно было из плоского оптически правильного стекла. В других случаях это необходимо, если стремятся повысить точность измерений. Если входным окном является стенка стеклянного сосуда, то не исклю­ чено влияние ее на изменение плотности пучка света, притом — неопределенное, так как стенка может быть неодинаковой толщины, иметь свилеватость, клиновидность и т. д. Между тем обыкновенно чувствительность катода в отдельных местах несколько различна, и потому изменение плотности пучка света стенкою (при двух или более сравниваемых пучках или при изменении плотности пучка по условиям самих измерений) может повлечь к более или менее ощутимым ошибкам. Ыо если плотность не меняется, то тогда свой­ ства окна, сквозь которое проходит свет внутрь фотоэлемента, зна­ чения не имеют. Так что таким окном может являться какая-либо часть стеклянного сосуда, хотя бы и имеющая некоторые недостатки. Если, например, стекло не бесцветно, то это не очень существенно, так как сказывается постоянным образом на некотором изменении спектральной чувствительности фотоэлемента, взятого в целом. Если расстояние между источником света и фотоэлементом во время измерений меняется, или если оно и не меняется, но в пучок при двух сравниваемых измерениях помещается в одном измерении и выни­ мается в другом цветное или даже бесцветное оптическое стекло (но более пли менее толстое, линза, зеркало и т. д.), — то в таких случаях предпочтительно иметь окно из оптически правильного стекла.

Стремиться к однородности катода в отношении чувствительности по отдельным местам — необходимо. Но достигается это на прак­ тике с трудом и, видимо, не во всех случаях.

У фотоэлементов, особенно работающих при повышенном напря­ жении (в несколько десятков вольт), необходимо иметь очень высо­ кую и устойчивую изоляцию между анодом и катодом. Расстояние между зажимами для тока раздвигают возможно далее. Наружная поверхность поддерживается чистой и сухой. Фотоэлементы и при отсутствии света проводят ток. Этот темновой ток должен быть возможно меньше, или, по крайней мере, постоянным во все время измерений.

Утечки тока — блуждающие токи, которые возникают вслед­ ствие разных трудноустранимых причин (проводимость в изоляции, заряды на стенках, внешние электромагнитные поля и др.) и которые особенно заметны при повышенном напряжении, стремятся отвести от измерительной цепи, например, от гальванометра. Для этого иногда оказывается полезным стеклянный сосуд фотоэлемента покрыть токопроводящим охранным кольцом на некотором расстоя­ нии от зажимов, например, из тонкого листочка металла (фольги)

и соединить его с землей. При этом надо подобрать еще одну точку

вцепи фотоэлемента, которую полезно заземлить (может быть, катод батареи). У низковольтных фотоэлементов, а также у таких, у кото­ рых катод нанесен на металлическую пластинку, это устройство

220