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

Если шар предназначен для скорых измерений большого коли­ чества ламп, то в нем делается небольшая дверка, на внутренней

тов и приборов для измерений токов от них делает возможным в ряде случаев отказаться от применения шаров в пользу одновременного измерения многими фотоэлементами. У люминесцентных ламп свето­ вой поток может быть определен только по одному измерению силы света с неточностью около 2—3%. Если же измерить силу света

Рис. 117. 2. Стойка для хранения светомерного шара (ВНИИМ).

в 9 направлениях, выбранных согласно указаниям п. 114, то можно ожидать снижения погрешности до 1%, что во многих случаях доста­ точно для практики. Число фотоэлементов нетрудно взять большим для повышения точности, или же возможно повертывать источник света по отношению к ним, чтобы увеличить число независимых наблюдений. Фотоэлементы следует расположить по поверхности воображаемого черного шара, чтобы они измеряли освещенность по равным телесным углам. Перед каждым фотоэлементом надо поста­ вить матовое молочное стекло и добиться одинаковой чувствитель­ ности. Фотоэлементы включаются параллельно на одно измеритель­ ное устройство, чтобы определять световой поток по одному отсчету.

118. Теория светомерного шара. Пусть помещенный внутри свето­

следующие предположения: внутренняя поверхность шара покрыта однородной белой (или серой, т. е, не искажающей спектр отра-

332

Женного света) краской, идеально матовой; коэффициент отражений ее (р) одинаков для всей поверхности. Прямые лучи от источника света создадут на поверхности шара освещенность, которая, вообще говоря, различна для разных мест шара. Прямые лучи, отразившись от поверхности, вновь упадут на шар и создадут вторичную осве­ щенность его. Вторичное отражение света создаст третичную осве­ щенность и т. д., пока не установится равновесие между падающим на внутреннюю поверхность шара световым потоком и поглощен­ ным ею. Надо выяснить значение вторичной освещенности (£ 2). Пусть в точке А прямая (т. е. от прямых лучей) освещенность рав­ няется Е 1. Яркость (Li) поверхности при этой освещенности на осно­ вании выражения (34. 5) равна:

= e -IT -

Около точки А выделяют бесконечно малую часть (dS) поверхности шара. Осве­ щенность {dEv), создаваемая поверхностью dS в точке В (рис. 118. 1) [на основании выра­ жения (25. 24)] равна:

Здесь / — радиус шара. В точке В вторичная освещенность создается не только от части поверхности dS, но, именно, от всей поверхности шара. Полную освещенность (Е 2) можно определить интегрированием выражения для dE2, причем интеграл распространяется на всю поверхность шара 5 = 4 я -/2:

£ 2 — | dE.2 — 4jte/2 ■| E1-dS.

s

Выражение f Ei-dS в результате интегрирования должно дать,

о

очевидно, весь световой поток лампы F, упавший на стенки шара при прямых лучах. Следовательно:

Ег =

А л - 1 - '

Вторичная освещенность оказывается одинаковой для всех точек

поверхности шара (положение точки В выбирается произвольным;

см. п. 24).

Путем подобных же рассуждений легко найти, что третичная освещенность (Е3) равна:

333

Последующие освещенности определяются по такому выражению:

ЕQc~ l-F

4 л - 1 "

Полная освещенность (£) поверхности шара в какой-либо точке (т. е. после сложения прямой и всех освещенностей от многократного отражения) равна:

световому потоку источника света, одинаков для всех участков поверх­ ности шара и не зависит от распределения светового потока (т. е. от силы света в разных направлениях). •

Для целей измерения светового потока светомерный шар должен применяться таким образом, чтобы можно было измерить какуюлибо световую величину, пропорциональную второму члену выраже­ ния.^! 18. 1), т. е. с исключением освещенности от прямых лучей. В некоторых случаях для упрощения изготовления прибора вместо шара применяют куб, двенадцатигранник и другие многогранники. Теория шара для них применяется лишь с приближением, степень которого недостаточно определенна. Подобные приборы менее точны, чем шар. В действительности и для шара изложенная теория оказы­ вается лишь приближенной, так как представляется весьма затруд­ нительным выполнить внутреннюю окраску, как требуется: повсюду, одинаковой и идеально матовой. Кроме того, внесение в шар изме­ ряемых источников света с их принадлежностями и особых щитков, необходимых для производства наблюдений (п. 119), также нару­ шает правильность теоретических выводов. Можно отдельно подсчи­ тать влияние посторонних предметов, находящихся в шаре. Однако определяемые таким путем поправки не вполне надежны и на прак­ тике ими не всегда пользуются. В некоторых случаях можно опытным путем измерить ошибки от нахождения в шаре предметов (п. 119). Обыкновенно же довольствуются соблюдением таких правил: 1) изме­ ряемые или посторонние предметы (светильники, лампы и т. д.) должны находиться в середине шара и 2) наибольший внеш­ ний размер их должен не превышать 0,1 диаметра шара (иногда

334

шара. Очевидно, яркость молочного стекла снаружи шара про­ порциональна световому потоку источника света. Щиток распо­ лагается приблизительно на расстоянии одной трети радиуса от центра шара; источник света — вблизи центра.

В другом возможном способе измерений наблюдают поверхность шара в точке А (рис. 119. 2), затененной от прямых лучей, сквозь отверстие (В) в стенке.

Третий и четвертый иногда применяемые способы состоят в том, что щиток располагается над измеряемым источником (рис. 119. 3), чтобы на него падало возможно меньше прямых лучей. Рассматри­ вают при измерениях или окошко с молочным стеклом, находящееся вверху (рис. 119. 3), или часть внутренней поверхности шара, зате­ ненную щитком (рис. 119. 4). Преимущества этого способа пропадают, если источник направляет значительную долю света вверх.

К недостаткам первого способа измерений относятся: 1) некото­ рая зависимость яркости наружной стороны молочного стекла от направления освещающих ее изнутри лучей света (т. е. от того, как распределяется по стенкам шара прямая освещенность от источ­ ника света), 2) возможное влияние неодинаковых спектральных коэффициентов пропускания молочного стекла (на искажение спектра пропускаемого света) и 3) значительное влияние щитка. Второй способ подобен первому, но имеет преимущество из-за отсутствия молочного -тггёкла. Вместе с тем светоизмерительное устройство при нем несколько усложняется. Третий и четвертый способы мало отличаются от первых двух.

Более совершенные способы измерений, чем изложенные, требуют значительного усложнения в устройстве шара и пока не получили распространения. Чаще всего на практике до сих пор применяется первый способ.

б) Предпочтительно при измерениях светового потока в шар пользоваться способом замещения, т. е. в шар, притом в одно и то же место, по очереди помещается измеряемый источник света и образ­ цовая лампа. Возможно поступать и иначе. Именно, светоизмеритель­ ная лампа помещается в шар одновременно с измеряемым источником (например, светильником) в разных местах — например, последний на некотором расстоянии (около трети диаметра) над первой. При этом окно с молочным стеклом затеняется щитками от каждого источника.

335

Оба они зажигаются Для измерении по очереди. Преимуществом данного способа является некоторая возможность учета поглощений света, вызываемых присутствием предметов в шаре. Недостатком — удаление источников от середины шара и затенение прямых лучей увеличенным числом предметов в шаре, что понижает точность.

При пользовании способом замещения ошибка измерений от по­ глощения света, например, светильником или лампой большого раз­ мера определяется так. В шаре временно помещается еще одна вспомогательная лампа возможно малого размера; дополнительный щиток закрывает прямые лучи от нее к светильнику. Производятся два измерения: в присутствии светильника (Fi) и в его отсутствие (F2). Светильник при этом не горит и измеряется световой поток лишь от вспомогательной лампы. Относительная ошибка А от поглощения света светильником равна:

(119.1)

Если ошибка по размеру составляет заметную величину, то в изме­ рения вводится поправка.

Светомерный шар сам по себе еще не является самостоятельным измерительным прибором. К нему требуется собственно светоизме­ рительное устройство. При зрительных измерениях чаще всего это — светомерная скамья (например, укороченная). Учитывая не очень высокую точность измерений в шаре, часто применяют для них переносные приборы, например, универсальный трубочный фото­ метр по Веберу.

Фотоэлемент или иной физический приемник ставится вблизи окна. Можно применить фотоэлементную светомерную головку, освещаемую с одной стороны окошком в шаре, а с другой — лампой сравнения на светомерной скамье. Как обычно, надо применять выравнивающий поглотитель; он не нужен, если доказано, что

лампа, световой поток которой (F0) известен; при этом пусть отсчет по светоизмерительному прибору пропорционален измеряемой ярко­ сти окна в шаре и равен к0. Если отсчет по тому же прибору состав­ ляет /г, когда в шаре находится источник света с неизвестным свето­ вым потоком (F), то последний равен:

(119. 2)

Если бы для измерений применялась светомерная скамья и про­ изводились отсчеты расстояний (а не яркости или освещенности, как выше), то предыдущее выражение приобрело бы такой вид:

(119. 3)

Здесь /0 — расстояние лампы сравнения до освещаемой ею испыта­ тельной пластинки или до фотоэлемента, при светоизмерительной

336

лампе в шаре, а / — то же при измеряемом источнике. Обе формулы справедливы при условии, что поглотители или ие применялись, или, если применялись, то не менялись. В противном случае нужно вводить их коэффициент пропускания. Пусть (для получения более общего вывода) со стороны шара имелись поглотители с коэффи­ циентом пропускания т0 при светоизмерительной лампе и т — при измеряемой. Со стороны же лампы сравнения — соответственно — tj

являться вторичным источником света и само освещать недалеко находящуюся испытательную пластинку в светомерной . головке или фотоэлемент. Возможно измерять и так, что молочное стекло непосредственно является одним из полей сравнения. Если наблю­ дают яркость внутренней стенки шара (рис. 119. 2 и 119. 4), то эти поверхности также являются непосредственно одним из полей срав­ нения. Так как их яркости обычно довольно высоки, то приходится применять по пути хода лучей от них поглотители, удобнее всего — вращающиеся.

120. Окраска шара. Она имеет решающее значение для наде ности и точности измерений. Прежде всего надлежит сделать выбор основного белого вещества (пигмента), из которого должна быть приготовлена краска. Часто применяют цинковые белила как легко поддающиеся размолу, хорошо размешивающиеся и имеющие высо­ кий коэффициент отражения. Правда, их кроющая способность невелика. Поэтому для них желательно создавать загрунтовку из другой, более плотной краски. Но цинковые белила имеют и иной существенный недостаток — с течением времени они желтеют. Поэтому окраска из цинковых белил нуждается в сравнительно частом обновлении (через 6—12 месяцев). Несколько труднее произ­ водить окраску сернобариевой солью. Зато она гораздо надежнее и вполне хорошо сохраняется в течение нескольких лет. Стали при­ менять двуокись титана (ВНИИМ). Применяемый для окраски краситель должен быть химически чистым. Перед употреблением

(например, наждачной бумагой). Затем промывается чистым бензином. Если поверхность недостаточно ровная, то она шпаклюется. Для

этой цели могут применяться разные замазки. Целесообразно при­ менять сернобариевую или из свинцовых белил или — очень чистый белый мел, причем связующим веществом берется копаловый или даммаровый лак, разбавленный скипидаром. Пропорцию лучше подобрать на опыте; по засыхании шпаклевка должна быть вполне твердой и не трескаться. Поверхность высохшей шпаклевки нужно сделать гладкой при помощи наждачной бумаги, закрепленной на куске дерева с поверхностью части шара (равного по диаметру светомерному шару). Затем шар вытирается и обдувается сжатым воздухом. Теперь может быть нанесена загрунтовка, т. е. подложка под последующую окраску. Для этой цели подходит лаковая краска. В качестве белого вещества берут или сернобариевую соль, или цин­ ковые белила. Даммаровый или копаловый лак разбавляется пополам скипидаром (очищенным). Количество красителя лучше подобрать опытным путем до густоты, обычной для эмалевых и масляных красок. Весьма желательно пропустить разведенную краску через коллоидальную мельницу. Загрунтовка наносится за два или три раза кистью или лучше разбрызгиванием сжатым воздухом (пуль­ веризацией). После каждого раза загрунтовка должна основательно просохнуть. Неровности удаляются мелкой наждачной бумагой, после чего шар обтирается (тряпкой) и обдувается сжатым воздухом. Затем могут быть нанесены слои окончательной краски.

Ацетил-целлюлоза сначала растворяется в ацетоне и затем при­ бавляется сернобариевая соль в порошке, тщательно размолотая. Предпочтительно затем краску пропустить через коллоидальную мельницу. Краска наносится тонкими слоями 5—10 раз через 2—4 ча­ са каждый слой. Окрашиваемый предмет прикрывается, чтобы краска сохла медленно. Вся окраска растягивается на 3—4 дня. Если окраска наносится на металл, то вместо ранее описанной загрунтовки может быть применена подложка из тонкого слоя лака, например, цапонового.

Если окраске желают придать более прочную поверхность, то после слоев приведенной выше краски она покрывается несколькими слоями раствора ацетил-целлюлозы в ацетоне (без сернобариевой соли) в той же пропорции, что и в рецепте. Слой раствора наносится с теми же предосторожностями. Окраску лучше производить пуль­ веризацией.

Приведенные в составе весовые соотношения допускают значи­ тельные отступления без заметного ущерба для дела. Примесь (10— 15%) ксилола или (10—20%) пиридина за счет соответственного уменьшения ацетона облегчает и улучшает работу по окраске.

338

гладкой переходить в шероховатую.1 Нанесение слоев прекращают, если замечается, что поверхность шара перестает светлеть от нанесе­ ния новых слоев.

г) В о з о б н о в л е н и е о к р а с к и . Если прежняя краска (верхние слои) растворяется в воде (например, если она желатино­ вая), то перед возобновлением лучше всего смыть ее теплой водой (помощью губки, тряпки и т. д.). В ином случае окраску обмывают чистой холодной водой или же счищают самый верхний слой сначала грубой, а под конец очень мелкой наждачной бумагой, после чего пыль удаляют вытиранием и обдуванием. Затем наносятся слои верх­ ней краски, как это описано выше. Число их выбирается по ранее

светомерный шар не находится в работе, он должен быть очень плотно закрыт. Все отверстия: по месту разъема шара, около ввода электри­ ческих проводников и т. д. должны быть прикрыты с помощью уплот­ нения, затрудняющего доступ воздуха в шар (например, с байковыми прокладками).

Следует по окончании работы обдуть (хотя бы мехами) внутрен­ ность шара, одновременно отсасывая воздух пылесосом. После этого шар внутри, по крайней мере в нижней части, покрывается белой плотной бумазеей, предохраняющей от запыления. Перед началом работы шар внутри также обдувается. Если он долгое время стоит без употребления, то его следует также время от времени обдувать от пыли. Мелкие соринки удаляются очень мягкой кистью, если не удастся это сделать струей воздуха.

Обыкновенно несмотря на все принимаемые меры поверхность шара все же пылится, причем неравномерно: нижняя часть гораздо силь­ нее верхней. С этим можно бороться таким путем: время от времени шар надо поворачивать, чтобы верхняя часть иногда находилась сбоку и внизу. Конечно, такой совет, главным образом, выполним для больших шаров, притом шар должен быть поворотным (рис. 117. 1); впрочем, небольшие шары можно поворачивать без особых приспособ­ лений. Шары диаметром более примерно двух метров довольно трудно содержать в хорошем состоянии. При длительном хранении шар разбирается и обе половинки поворачиваются отверстиями вниз

(рис. 117. 2).

121. Проверка белизны. Одним из наиболее простых способ является следующий.

1 В значительной мере это зависит от густоты раствора, степени разбрызгива­ ния (при отсутствии крупных капель), силы струн и умения красить. Последнее приобретается опытом. Надо научиться красить, начав с окраски, например, щитка. Следует обратить внимание, что нельзя сколько-нибудь длительно направлять пуль­ веризатор на одно и то же место. Напротив, он все время должен передвигаться с места на место по полосам, причем несколько раз возвращаться на прежнее место. Нельзя допускать потеков. Нельзя также доводить нанесение краски на поверх­ ность до мокрого пятна: окраска должна иметь вид лишь как бы сырого пятна; впрочем, это не существенно для первых слоев загрунтовки.

340