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

очень устойчивым. На деле это трудно достижимо, главным образом', из-за неполной одинаковости электрометрических ламп. Устойчи­ вость достигается недостаточно полная, если стремятся к очень точным измерениям, где устойчивость особенно нужна.

Не входя в подробности, можно добавить, что, включив сопро­ тивление фотоэлемента и включив последовательно с управляющей сеткой второй электрометрической лампы переменный конденсатор (например, в 15 пф), по скорости изменения тока в гальванометре Л//Д£ (по числу нарастания делений шкалы в единицу времени) и по чувствительности гальванометра можно измерять еще меньшие токи в фотоэлементе — 10“10 а и даже меньше; при этом должны быть известны емкость управляющей сетки 1-й лампы С и крутизна ее анодного тока S:

. __С_ Д/

1 ~ S ' At '

Указанное видоизменение усилительного устройства заменяет при­ менение электрометра для измерения самых слабых токов.

Описанное усилительное устройство удовлетворительно рабо­ тает при соблюдении ряда условий. Все переменные сопротивления должны иметь плавное изменение с очень хорошими контактами и с малым температурным коэффициентом. (Такие сопротивления особо изготовляются, а не берутся из продажных готовых радиодеталей.) Лампы должны быть чистыми и очень сухими. Влажный зоздух расстраивает работу. Перед началом измерений все устройство включается для прогрева рабочим током на 1—2 часа, а после смены батарей питания — и более. Для тока накала применяется батарея очень большой емкости. Анодная батарея и элемент для питания цепи потенциометра — это сухие гальванические элементы также значительной емкости. Надо еще иметь в виду, что при больших сопротивлениях, как 1012 ом и более, нарастание токов происходит замедленно. Равным образом заряды на стекле фотоэлемента и элек­ трометрических ламп устанавливаются и стекают медленно (несколь­ ко минут). Поэтому усилитель не может быстро переходить на сильно изменившиеся условия работы.

Усилитель с потенциометром, фотоэлемент и батареи помещаются в отдельные металлические ящики, электрически соединенные с землей, чтобы устранить влияние внешних электрических полей. Усилитель должен предохраняться от сотрясений, а электрометри­ ческие лампы укрепляются для того же на амортизаторах. В ящик

•с лампами помещается стаканчик с хлористым кальцием (СаС12) для поглощения влаги воздуха.

Опуская многие подробности работы с усилителем, необходимо подчеркнуть, что точное и бесперебойное измерение им малых токов

от фотоэлементов требует больше внимания, заботливости, знаний и опыта, чем многие другие работы по световым измерениям. Как только отпадают требования к получению повышенной точности, применяют более простые устройства, примеры которых далее приводятся.

Усилительное устройство, электрическая схема которого дана На рис. 89. 2, предназначено также для малых токов. Оно менее чувствительно, чем предыдущее, но проще. Применяется одна элек­ трометрическая лампа. Измерения тока производятся потенциомет­ ром при нулевом положении гальванометра. Применена одна бата­ рея для питания всего устройства, кроме потенциометра^ чтобы возможно более ослабить нарушение уравновешивания при изме­ нении напряжения. Колебания же анодного тока не отражаются На нулевом положении гальванометра. Настройка несколько кро­ потлива. При темновом токе производится установление такого значения сопротивления R lt чтобы одновременно получить прибли-

Рнс. 89. 2. Усилитель с одной электрометрической лампой.

зительно нормальный ток накала, после чего подбираются сопроти­ вления R о и R з для нулевого положения гальванометра. Теперь возвращаются к сопротивлению R 1 и, изменяя ток накала на 2—4%, проверяют, сохраняется ли при этом нулевое положение гальвано­ метра. Если не сохраняется, то подбирают другое значение сопро­ тивленияУ?!, а в случае надобности, изменяя и положение подвижной точки сопротивления R t . Попутно приходится воздействовать и на сопротивления У?2 и R 3.

Оба предыдущих устройства требуют чувствительного гальвано­ метра — порядка 10-10 a/дел или немного меньше. Если при малых

то можно использовать одно или другое из ранее описанных двух устройств и добавить еще одну ступень усиления (рис. 89. 3). При­ меняется какая-либо из обычных электронных ламп — триод с боль­ шой крутизной; гальванометр в первом усилительном устройстве не применяется, а два идущих к нему проводника являются входом для второй ступени усиления. Общее усиление по отношению к току фотоэлемента может превысить 107. Измерять ток можно, как и ранее, по потенциометру, добиваясь при отсчетах всякий раз нулевого

242

Положения Ральваномётра во второй ступени усиления. Но можно измерять ток и по отбросу гальванометра. В последнем случае следует обратить внимание на пределы, в которых можно ожидать соблюде­ ния прямой пропорциональности между током фотоэлемента и откло­

На рис. 89. 4 показан способ усиления токов фотоэлемента, применяемый у спектрофотометров типа Кери и Бекмана. Ток изме­ ряется потенциометром, который включен навстречу сопротивлению

для обычных лабораторных работ, не требующих особенно повы­ шенной точности. Устойчивость равновесного состояния оказывается

к применению в них обратной связи. Именно, «выход» усилителя так или иначе электрически связывается с его «входом»; при этом применяют «отрицательную» связь, которая ведет к некоторому ослаблению усиления, если бы последнее почему-либо возросло на «выходе». Таким путем, как можно судить по литературным дан­ ным, удается получать устойчивые измерительные устройства, в которых изменения условий питания, температурных условий, иногда даже и замена электронной лампы сказываются малозамет­

ным образом на итогах измерений. При этом, однако, общее усиле­ ние уменьшается и иногда даже значительно, но в ряде случаев это не приносит непреодолимых трудностей, и такие измерительные устройства на практике встречаются. На рис. 89. 5 показан пример применения обратной связи при двух электронных лампах; при сла­ бых токах применяют и три ступени усиления. Обратная связь устанавливается сопротивлением в 2 • 104 ом.

Как известно, электронные лампы и способы их применения продолжают быстро совершенствоваться и надлежащие сведения о них во всех подробностях, притом в полном объеме, следует искать в посвященной им литературе. Необходимо обратить внимание, что недостаточная удовлетворительность действия отдельных усилитель­ ных устройств весьма часто является следствием не теоретических недостатков, а именно несовершенства практического выполнения: плохие контакты, особенно в регулируемых реостатах, отсутствие возможности плавно изменять сопротивления, малая емкость батарей и т. д.

Самый простой способ одноступенного усиления показан на рис. 89. 6. Входное сопротивление, по которому идет ток от фото­ элемента, берут в пределах 5 • 10Б -н 107 ом. Измерения производят

244

по отклонению гальванометра. Анодный ток при темновом токе фотоэлемента уравнивается соответственным потенциометрическим устройством.

Описанные способы усиления, как видно, основаны на приме­ нении постоянного тока, притом от аккумуляторных батарей и сухих элементов.

На рис. 89. 7 показано питание накала электронной лампы от двух батарей, когда емкости одной недостаточно. Положение подвижной рукоятки реостата подбирается так, чтобы батарея В х не разряжалась, что узнается по амперметру. В таком случае начи­ нает разряжаться батарея и лишь по мере ее разряда постепенно начинает разряжаться батарея В х. Настройку время от времени можно повторять. Таким путем ток накала поддерживается с боль­ шой степенью постоянства. Питание от выпрямителей применяется,

если приняты меры для постоянства напряжения и если нет необхо­ димости в повышенной точности измерений. Усиление же на пере­ менном токе пока применяется в редких случаях и при особых свето­ измерительных приборах, например, когда фотоэлемент получает прерывистое периодическое освещение. Но можно ожидать, что прерывистое освещение, хорошо развитое для инфракрасных изме­ рений, найдет употребление и для световых.

До сих пор был рассмотрен случай применения одного фотоэле­ мента. Иногда применяют два фотоэлемента, включенных навстречу или последовательно, чтобы одновременно сравнивать два пучка света, или для применения способа замещения. Электрические измерения при этом могут выполняться, например, по способам, указанным на рис. 89. 8 и 89. 9. На рис. 89. 8 представлено последовательное включение при наиболее простом способе измерений. Гальванометр показывает равенство токов в обоих фотоэлементах в нулевом своем положении или разность токов в них при отклонении. На рис. 89. 9 фотоэлементы соединены последовательно же, но ток в гальвано­ метре усиливается электронной лампой.

Измерение токов в фотоумножителях производится обыкновенно непосредственно микроамперметром, причем темновой анодный ток уравновешивают подобно тому, как это показано на рис. 89. 9.

Если темновой ток не очень значителен, то нулевое положение гальванометра на растяжках можно получить, например, механи­ чески воздействуя на поворот зеркальца. При. необходимости

245

усиливать ток можно воспользоваться одной (или более) ступенью усиления, например, как показано на рис. 89. 2, 89. 3 или 89. 4.

Способы, облегчающие измерения малых токов с применением, оптических приемов, описаны ранее в п. 83.

как физических приемников должно было бы считать возможность употреблять их как измеряющий прибор, а не только как указатель

измерений пропорциональных отклонений гальванометра или чув­ ствительного стрелочного прибора приводит к простым и дешевым светоизмерительным приборам или установкам. Но, с другой стороны, опасения за надежность таких приборов и необходимость предва­ рительно испытывать и отбирать более подходящие побуждают часто предпочитать фотоэлементы в обстановке, где они являются лишь указывающим прибором, правда, указывающим неизменность осве­ щенности или нарушение ее. Это приводит к выбору способа заме­ щения. Вместе с тем из-за возможных колебаний в силе света элек­ трического источника света, участвующего в измерениях, по причине изменений электрического напряжения в питающей сети, а также в некоторых случаях и естественного освещения, нередко предпо­ читают применять одновременно не один, а два фотоэлемента. Именно два позволяют уравновешивать колебания в освещении. Изложенными соображениями и объясняется частое применение способа замеще­ ния с двумя фотоэлементами, особенно для измерительных приборов и установок, находящихся вне светотехнических или родственных лабораторий. Подобно тому как при зрительных измерениях необ­ ходимо иметь два поля сравнения и для образования их, в частности, делают светомерные головки (п. 81), — применение одного или двух

246

фотоэлементов при измерениях по способу замещения также в неко­ торых случаях приводит к устройству приборов, сходных со свето­ мерными головками по их употреблению на светомерной скамье. На рис. 89. 10 упрощенно изображена шаровая вращающаяся головка С. И. Восинского. С двух сторон она освещается сравниваемыми источниками света, находящимися на светомерной скамье. Одна половинка шара выбелена, другая — вычернена. Шарик быстро вращается вокруг оси, лежащей в плоскости раздела красок и пер­ пендикулярной к оси скамьи. К шарику обращен расположенный вблизи фотоэлемент. При вращении шарика

'провод от средней части обмотки. С шариком жестко связан механический выпрямитель (пере­ ключатель) для переменного тока. Выпрями­ тель имеет одно сплошное металлическое кольцо, составляющее одно целое с рядом расположен­ ным полукольцом. Металлическое полуколь­ цо дополнено полукольцом из изолятора. Щетка, скользящая по сплошному кольцу, сое­ динена со средней точкой выходного трансформа­

тора. Две другие неподвижные щетки (диаметрально противополож­ ные) скользят попеременно по полукольцу—металлическому или изо­ ляторному. .В средний провод включен гальванометр. При вращении шариковой головки выпрямленный ток проходит через гальванометр

ивызывает его отклонение. Но во время равенства освещенностей от обоих источников ток в фотоэлементе не меняется; следовательно, переменного тока на выходе и соответственно выпрямленного тока в гальванометре не окажется. При измерениях перемещают или головку, или один или оба источника, пока не получат нулевое

положение гальванометра. .

Подобный способ применения фотоэлементов для световых изме­ рений не лишен некоторых недостатков и неудобств, однако для практики в ряде случаев оказывается вполне пригодным. Он допускает разные видоизменения. Можно вместо выкрашенного шарика при­ менить, например, стеклянный круг, одна половина которого посе­ ребрена, а другая оставлена прозрачной. Тогда один пучок света проходит сквозь стекло и попадает на фотоэлемент, а при пол-обороте круга на него падает другой пучок света, отраженный зеркальной

24?

Однако из-за утомляемости и неустойчивости селеновых фотоэле­ ментов — за время измерений второй лампы они могли несколько измениться. Поэтому надо быстро повернуть нижний фотоэлемент к первой лампе и если гальванометр покажет отклонение, то вновь достигают равенства токов передвижением верхнего фотоэлемента. Затем вновь быстро поворачивают нижний ко второй лампе и изме­ нением расстояния, если нужно, достигают нулевого отсчета по галь­ ванометру. Подобные действия повторяются до тех пор, пока при быстром повороте нижнего фотоэлемента то к первой, то ко второй лампе гальванометр не перестанет отклоняться. В таком случае достигнуто равенство освещенностей от обеих сравниваемых ламп. У нижнего фотоэлемента можно поставить выравнивающий погло­ титель.

Способ измерений рассмотренной головкой сравнительно прост. Измерения производятся немного быстрее, чем зрительные. Порог чувствительности при употреблении такой головки может составить М О '1 от измеряемой освещенности и даже меньше. В настоящее время световые измерения при участии такой головки могут счи­ таться самыми точными и их погрешность возможно довести, напри­ мер, до 0,005%; но, однако, не легко освободиться от неизбежно сопутствующих других погрешностей, которые существенно увели­ чивают указанное число. Сюда относятся: недостаточная устойчи­ вость ламп, неточность их установки, неточности электрических измерений и еще ряд других причин.

На рис. 89. 12 приведен один из возможных способов усиления прерывистого тока при двух электронных лампах, с выходным трансформатором, так что на выходе — переменный ток.

На рис. 89. 13 дается способ питания фотоэлемента и одной усилительной лампы переменным током без выпрямителя. Стабили­ затор напряжения необходим, если напряжение переменного тока колеблется и мешает работе. Темновой ток через измерительный прибор может быть уравновешен обычным способом, указанным ранее (рис. 89. 3 и др.). Данный способ, конечно, является очень простым, но и несовершенным (в частности из-за влияния емкости фотоэлемента); применяется в неответственных случаях. Переменный ток проходит через фотоэлемент только в течение полупериода, когда катод фотоэлемента получает отрицательный потенциал по

?49

отношению к аноду. Фотоэлемент должен получать постоянную осве­ щенность или меняющуюся медленно (или, напротив, очень быстро) по сравнению с частотой переменного тока.

Что касается питания цепей фотоумножителей при напряжениях 750—2200 в, то обыкновенно это делают не от батарей, а от выпрями­ теля переменного тока, с применением стабилизатора. Ступени напряжений для каждого^вторичного катода получаются от дели­ теля напряжения. При исследовательских работах устройство дели­ теля предусматривает возможность подбирать наивыгоднейшее напряжение для каждогоф<аскада (рис. 89. 14).

Фотоумножители, как и фотоэлементы, можно применять по два, если в измере­ ния введены два пучка света. Они вклка­ чаются или параллельно, или последова­

ительно, с возможностью уравновешивания темповых токов; при этом находится раз­ ность токов, вызванных освещением. Можно включать фотоумножители в плечи измерительных мостов. При измерениях совсем слабых освещенностей или слабых световых потоков в таких же способах применения двух фотоумножителей устраивают еще усиление, даже несколь­ кими электронными лампами. Подобрать два приблизительно одинаковых фотоум­ ножителя очень трудно; это обстоятель­ ство осложняет измерения. Обыкновенно

Общая и спектральная чувствительности у фотоэлементов с внешним фотоэффектом обыкновенно не вполне одинаковы в отдельных точках катода. Поэтому при сравнениях нескольких пучков света необхо­ димо, чтобы у каждого из них поверхностная плотность лучистой энергии была совершенно одинакова во всем поперечном сечении на месте поверхности катода. Такое .же требование нужно соблюдать и при измерениях в одном и том же пучке света (например, при определении коэффициента пропускания стекол, см. п. 148). Впрочем, данное требование может быть заменено другим при измерениях в одном пучке света: соотношения значений поверхностной плотности его в каждой точке поперечного сечения не должны меняться. Строгое соблюдение поставленных требований во многих случаях затрудни­ тельно, а иногда едва ли возможно.

Вместе с тем и доказать, что измеряемые пучки имеют вполне одинаковую плотность во всех точках поперечного сечения, нелегко, или это представляется обременительным. Для этого можно было бы поставить перед фотоэлементом черный щиток с маленьким окош­ ком и затем перемешать фотоэлемент вместе с окном поперек пучка,

250