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

стаканчик входит пустой стаканчик. При этом или стаканчик с рас­ твором, или пустой могут перемещаться вдоль оси, так что слой раствора между донышками стаканчиков, сделанных из плоского бесцветного стекла, меняется. Толщину слоя /0 раствора с известным содержанием стараются сделать круглым числом для упрощения вычислений, например, в 100 или 50 мм. Наблюдая в зрительную трубку, меняют толщину слоя / определяемого раствора, чтобы получить равенство полей сравнения, которые обыкновенно имеют вид круга, разделенного пополам. Как и обычно, для повышения точности лучше находить границы светового равенства. Неизвестное содержание вещества (концентрация) находится из соотношения

(п. 37):

что справедливо, если закон Бэра в данном растворе соблюдается. Описываемые приборы нередко изготовляются как дешевые и про­ стые по устройству; на устранение постороннего света и на одина­ ковость обеих половин прибора не обращается особенного внимания. Поэтому предпочтительно производить измерения по способу заме­ щения: в один и тот же стаканчик по очереди наливается известный раствор и неизвестный. В другом же стаканчике в обоих случаях содержится один и тот же раствор, притом при одинаковой высоте, подбираемой обыкновенно так, чтобы на другой стороне толщина при известном растворе 10 выражалась круглым числом.

Измерения описанным прибором или подобным производятся обыкновенно в светлом помещении. Условия выдерживания глаза при подходящем уровне яркости (адаптации) не всегда надлежаще соблюдаются. Поэтому на практике наблюдатели, недостаточно осведомленные в отношении правил выполнения световых измерений глазом (пп. 64, 65), нередко получают неустойчивые отсчеты. Как и обычно, в таких случаях надо повторять наблюдения и для вычисле­ ний брать среднее арифметическое.

Справедливость закона Бэра для раствора с данным веществом может быть поверена на таком же приборе. Для этого надо составить несколько растворов с разным содержанием того же вещества и на опыте проверить соблюдение равенств, совпадающих с выражением (153. 1). Если закон Бэра не соблюдается, то из опыта можно полу­ чить данные для установления действительного соотношения между толщиной слоя и содержанием вещества в растворе.

Предложено довольно много измерителей поглощения с фото­ элементами, преимущественно — селеновыми. В таких приборах уже нет прямой необходимости иметь два стаканчика и два проходя­ щих через них пучка света. Достаточно было бы определять пропу­ скание света сквозь один сосуд по силе тока от фотоэлемента. При­ боры с подобным устройством изготовляются. Но вследствие, с одной стороны, несовершенств фотоэлементов, а с другой, из-за необходи­ мости поддерживать у этих приборов строго постоянным условия питания электрического источника света, находят более, частое

422

применение приборы с двумя сосудами и двумя фотоэлементами или, если и с одним сосудом, то все же с двумя фотоэлементами. Приборы с двумя сосудами допускают лучшую самопроверку пра­ вильности действия и показаний прибора.

На рис. 153. 3 показано устройство прибора (Горьковского исследовательского физико-технического института) под названием «двуплечий дифференциальный фотоколориметр» (ФОК-Д-46).

которое проходит свет. Отверстие меняется для настройки измерительной цепи с фотоэлементами. Применены

два селеновые фотоэлемента, включенные навстречу. Когда оба сосуда наполнены одинаковыми растворами, гальванометр Г пока­ зывает нуль, что достигается изменением площади отверстия, а также положением рычажного измерительного сопротивления, которое устанавливается на делении, например, 100, удобном для расчетов. В дальнейших измерениях в один из сосудов наливается определяе­

мый раствор. Изменение силы тока отмечается по отклонению гальвано­ метра.

Прибор, как и все «фотоколори­ метры», градуируется по растворам с известным содержанием вещества.

электрических измерений, то в таком случае может быть сокращено число выбранных для поверки растворов.

С целью повысить постоянство показаний приборов с селеновыми фотоэлементами предложено несколько разных электроизмеритель­

ных устройств. На рис. 153. 4 показано упрощенно одно из таких. Прибор назван «дифференциальным фотоэлектрическим колори­ метром» ДФК-1-Э (Б. В. Михальчук). Применено два пучка света (1, 2), каждый из которых проходит сквозь один из двух сосудов с рас­ твором (Л, В). Оба пучка освещают селеновый фотоэлемент (С), но разновременно и поочередно благодаря вращающемуся кругу (D), который попеременно пропускает на фотоэлемент тот или другой пучок. На одной оси с кругом находится переключатель (Е), по которому скользят пять щеток (см. нижнюю часть рис. 153. 4).

423

К двум щеткам присоединены провода от фотоэлемента, к третьей — провод от гальванометра, к четвертой подведен от него другой провод и этот же провод через измерительное сопротивление присоединен к пятой щетке. Переключатель электрически разделен надвое и на части окружности имеется непроводящее полукольцо. При враще­ нии переключателя через него идет ток от фотоэлемента одного направления при прохождении света через первый сосуд и — противо­ положного при прохождении через второй. Электродвигатель делает около 2000 об/мин, и если токи при каждом направлении равны, гальванометр не отклонится. Если же они неравны — при разном ослаблении света в сосудах с раствором — гальванометр отклонится. Измерительное сопротивление меняют так, чтобы гальванометр вернулся в нулевое положение. Отсчеты по измерительному сопро­

тивлению служат для определения оптиче­ ской плотности измеряемого раствора. Нали­ чие двух сосудов позволяет путем их пере­ становки исключить некоторые погрешности. Прибор представляется сложнее других «фотоколориметров», но по свидетельству изготовителя показания его более устойчивы, а достаточная чувствительность достигается применением сильного источника света и высокочувствительного гальванометра. При­ мененный способ световых измерений может быть использован в других случаях и за­ служивает внимания.

Еще один прибор упрощенно изображен на рис. 153. 5, он выпу­ скается также под названием «дифференциальный фотоколориметр», с сурьмяно-цезиевыми фотоэлементами, ДФК-2-0 (Б. В. Михальчук). Фотоэлементы включены последовательно и питаются переменным током. Как указывалось ранее, фотоэлемент с внешним фотоэффектом является выпрямителем и пропускает, следовательно, ток только одного направления. Гальванометр (постоянного тока) показывает разность токов, идущих по каждому фотоэлементу. Перед одним из фотоэлементов помещается сосуд с раствором, а перед другим поворачиваемая заслонка для пропускания света. Заслонка при поворачивании меняет площадь пропускаемого пучка света, так как она имеет переменную высоту, притом меняющуюся по логариф­ мической кривой, чтобы приблизить показания прибора — к пря­ мой пропорциональности между поворотом заслонки и оптической плотностью. Поверка (и градуировка) прибора возможна лишь опытным путем и действительна только для данных фотоэлементов при условии их постоянства.

В другом видоизменении прибора (ДФК-2-0) применены селено­ вые фотоэлементы, включенные навстречу; гальванометр показывает разность токов.

При работе с «фотоколориметрами», в которых применены селе­ новые фотоэлементы, нередко трудно создать условия, обеспечиваю­ щие удовлетворительную степень.-их•постоянства. Поэтому в практике

424

лабораторий, чаще всего не фотометрических, например, химиче­ ских, иногда точность измерений оказывается недостаточной. В главе 10 даны некоторые указания, сюда относящиеся; более же подробные сведения о работах с «фотоколориметрами» опубликованы

вжурналах и книгах и здесь не рассматриваются (см. литературу).

Из м е р и т е л и м у т н о с т и — н е ф е л о м е т р ы . Если

вмутную среду направить сосредоточенный пучок света, то рассея­ ние света взвешенными частицами происходит по разным направле­ ниям (явление Тиндаля), в частности и в направлении перпендику­ лярном к направлению освещающего пучка. Это явление используется для определения содержания каких-либо веществ и для определения

размеров их частиц (в коллоидных растворах, аэрозолях и др.).

Ранее описанные приборы для измерения поглощения «колори­ метры» у некоторых изготовителей имеют приспособления для при­ менения их же в качестве нефелометров. Для этого стаканчики освещаются сбоку, наблюдения же производятся, как и обычно, вдоль оси. На рис. 153. 6 упрощенно показано устройство одного из приборов. В один стаканчик наливается жидкость с известным содержанием вещества, в другой — с неизвестным. Они освещаются сбоку: вблизи каждого стаканчика порознь может передвигаться непропускающая свет заслонка, ограничивающая высоту освещае­ мого объема жидкости. Ищут световое равенство обоих полей срав­ нения, перемещая одну или в подходящих случаях обе затемняющие заслонки. Зрительные измерения производят в условиях, подходя­ щих для получения надлежащей точности: яркость полей сравнения часто бывает мала, и потому надо работать в затененных помещениях, беречь глаза от большой яркости; перед измерениями глаза должны отдохнуть в темноте и т. д. (см. главу 7).

«Фотоколориметры» также нетрудно приспособить для примене­ ния в качестве нефелометров; проще всего это сделать у таких при­ боров («одноплечих»), в которых, применяется лишь один .сосуд:

425

надо изменить направление освещения, чтобы на фотоэлемент попа­ дал только рассеянный свет. Часто в таком случае на фотоэлемент световой поток падает в очень незначительном количестве, так что необходимо усиливать освещение и увеличивать чувствительность электроизмерительной части.

Если мутность жидкости мала, то чистота стенок и прозрачность стекла стаканчиков имеют весьма большое значение для получения правильных данных при измерениях. (Другие подробности, которые имеют важное значение для успешного применения измерителей мутности, следует искать в специальной литературе).

ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦВЕТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Учение о цветах и цветовых измерениях настолько развито

и в надлежащих случаях следует обращаться к соответствующей литературе.

154.Природа цветовых измерений. Ощущение цвета вызывает

вглазу лучистой энергией тех же длин волн, при которых она вызы­ вает ощущение света. Цвет есть один из признаков или свойств света. В некоторых случаях свет не имеет никакого цветного оттенка, он представляется бесцветным. Такой свет считается белым или серым (его называют также ахроматическим). В природе встречается столь значительное разнообразие цветов, что словесных названий для различения их друг от друга: красный, желтый, зеленый и т. д. — далеко не хватает. Для точного описания цветов приходится прибе­

гать к особым средствам, которые и предлагаются цветоведением и, в частности, наукой о цветовых измерениях (колориметрией).

Опыт непосредственно указывает на весьма важное свойство цветовых ощущений: одно и то же цветовое ощущение может возни­ кать под действием лучистой энергии разного состава. Так, например, один и тот же серый цвет может состоять из смесей различных пар дополнительных одноволновых лучистых энергий. Из этого поло­ жения вытекает не менее важное следствие. Одно точное описание состава лучистой энергии (т. е. ее мощности и распределения послед­ ней по спектру) само по себе, конечно, достаточно для однозначного определения цвета. Однако необходимо еще определенным образом учитывать свойства глаза в отношении восприятия цветов и, именно, одинаковость цвета при многообразных составах лучистой энергии.

Опыт показывает также, что при наложении разных цветовых ощущений на одно и то же место сетчатки глаза (пусть, например, рассматриваемая белая пластинка освещается сначала порознь некоторым красным и зеленым светом, а затем одновременно обоими — в таком, случае-происходит наложение цветовых ощущений) возни­

426

кает новое цветовое ощущение, отличающееся от его составляющих При этом, опираясь на знание свойств глаза, можно заранее пред­ сказать, какой именно новый цвет должен получиться, так как наложение цветовых ощущений происходит вполне определенным образом.

Изложенное имело целью разъяснить, что цветовые измерения так же, как и световые, имея дело с цветовыми ощущениями, отно­ сятся не к чисто физической области, а к физико-психофизиологи­ ческой. Конечно, вполне возможно — для этого уже разработаны

иприменяются приборы — выполнять все цветовые измерения (так же, как и световые) без участия глаза, чисто физическими путями. Однако для того, чтобы результаты измерений отвечали практическим запросам, относящимся именно к оценке цветовых ощущений (а не к оценке лучистой энергии независимо от ощущений), неизбежно по существу дела: или 1) подгонять свойства приборов к свойствам глаза, или 2) показания приборов тем или иным путем (например, при помощи вычислений) преобразовывать. Без этого дело касалось бы лишь измерений лучистой энергии, хотя бы и той, которая спо­ собна вызвать свет и цвет, а не тех цветовых измерений, которые имеют в виду известную область психо-физиологических ощущений.

155.Признаки для сравнения и измерения цветов. Измерит данную величину, как известно, значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу, т. е. следовательно, в конечном счете определяется, во сколько раз данная величина больше или меньше другой, выбранной за единицу. Существуют ли цветовые величины и единицы для их измерений? Таких, подобных по построе­ нию или размерности каким-либо физическим величинам и единицам

идаже световым — не имеется. Нет такой единицы, с помощью которой можно было бы определить, например, во сколько раз данный зеленый цвет больше или меньше красного цвета в отношении именно ощущения цветности. Как указывалось ранее о световых величинах, если имеются две поверхности, например, красного и зеленого цвета, то, изменяя яркость одной или обеих, можно достигнуть того, что яркости обеих станут для глаза одинаковыми. Таким образом, прежде был установлен общий признак для суждения об обеих поверх­ ностях и найдена мера для измерения именно их светового, но не цветового воздействия на глаз.

Если бы имелась какая-либо мера для измерения цветов, то это

значило бы, что изменив в каком-либо отношении (определенном по сравнению с мерой) красный или зеленый, можно было бы сделать их равными, т. е. одинаковыми по цвету. Это невозможно без изме­ нения самого цвета. Таким образом, под измерением цветов нельзя понимать действие, подобное измерениям как физических, так и свето­ вых величин. В этом смысле измерений — цветовых величин и единиц для них — нет. Глаз различает хотя и очень большое, но все же огра­ ниченное количество разных цветов: порядка 3000—6000 в зависи­ мости от опытности наблюдателя и ряда других условий. Все разли­ чаемые цвет*а можно разделить как бы на разные виды и разновидно­ сти по признакам большего, сходства или различия, между, собою.

427

под этим цвет его светового потока или цвет его светящейся поверх­ ности. Цвет данной поверхности есть цвет светового потока, отражен­ ного или испускаемого данной поверхностью. Цвет данной прозрач­ ной или мутной среды (например, стекла) есть цвет светового потока, выходящего из данной среды.

Как это само собой понятно, цвет отражающей свет поверхности или пропускающей свет среды зависит от спектрального состава света, падающего на поверхность или вступающего в среду, и от свойства поверхности отражать лучи разных длин волн, а среды — пропускать лучи разных длин волн. Поэтому, говоря о цвете поверх­ ности и среды, необходимо указывать так или иначе на спектральный состав падающего или проходящего света. Обычно принято в цветовых измерениях освещающий свет выбирать белым (п. 79).

156. Спектральный состав цвета. Наиболее точное определение цвета, притом не зависящее от особенностей зрения данного наблю­ дателя, производится, путем выявления распределения лучистой мощности по отдельным участкам спектра. Чаще всего такие изме­ рения спектрального состаза цвета производятся помощью спектро­ фотометров.

В итоге наблюдений получают относительное распределение лучистой мощности по спектру или спектральные коэффициенты яркости, или — пропускания. Эти данные в виде таблицы, рисунка или формулы и являются характеристикой цвета. Если хотят уста­ новить полное тождество двух цветов, то наиболее точно это можно сделать при помощи как раз такой характеристики состава. Так, например, и поступают иногда при подборе цветов источников света, при подборе красок и т. д. Цвета поверхностей и средин, имеющие одинаковый спектральный состаз, сохраняются тождественными между собою при каком угодно изменении цвета освещающего их света. Когда этому придают значение, то и прибегают к определению спектрального состава цвета. Вместе с тем, как уже указывалось, при разном составе цвета могут выглядеть одинаковыми. Спектраль­ ное распределение непосредственного указания на это не дает. Поэтому оно является само по себе неполной характеристикой цвета как цветового ощущения. Однако путем обработки данных о распре­ делении можно выяснить, похожи ли цвета или разнятся.

157. Трехцветный состав цвета. Пропорции смешения. Опыт показывает, что каждый различаемый глазом цвет можно получить путем сложения взятых в над­ лежащих долях трех цветов: красного, зеленого и синего.

На основании схожести или равенства данного цвета С и смеси трех первич­

Здесь г, g и Ь— коэффициенты, указывающие на долю участия каждого из пер­ вичных цветов в смеси их; один или два члена в правой части могут быть отри­

429

В общем случае, с изменением Длины волны спектрального цвета Члены правой части последнего равенства меняются. Опытным пли вычислительным путем могут быть найдены для каждого одноволиового цвета зависимости:

(157. 3)

t\Bi = Bx =

dBi ~dX

Эти данные, т. e. доли сложения спектральных цветов, — так называемые пропорции смешения для одноволнового света — относятся к известному распре­ делению мощности по спектру, например, к равной мощности. Можно найти также:

смеси. Надо еще установить, как следует выбирать полное количество каждого первичного цвета R lt Для этого делается вполне произвольное, неудобное для практики предположение, что белый цвет получается при сложении, как гово­ рят, равных цветовых количеств участвующих в смешении цветов R lt Gu B lt т. е.:

щих цветов обыкновенно одновременно устанавливается также и равенство их световых величин, участвующих в измерениях, например, яркости..Следует попутно отметить, что при подборе смеси часто даже необходимо в то же время уравни­ вать и яркости (или другие световые величины) для облегчения работы и повы­ шения точности. Отсюда следует, что яркость данного цвета Lq равняется сумме

Данное выражение справедливо и для спектрального цвета (одноволиового света):

жений (157. 6), (157. 7) и (157. 8 ), получаемых, например, на основании опытных

ных, иначе— яркостных коэффициентов (Lr 0, Lq0, 7-в 0). которые учитывают взаим­ ное соотношение световых действий каждого из лучистых потоков, создающих смешиваемые цвета; затем вводится еще некоторый коэффициент k, позволяющий

430