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

Продолжение таблицы 162. 1

163. Колориметры. Так называются приборы, предназначенные для измерен цветов. Возможные способы измерения цвета описаны в п. 157, а на рис. 157. 1 показана установка, соединяющая два способа сложения цветов для измеритель­ ных целей:, спектрального с белым и трех сложных цветов. Приборы, использую­

щее ..второй способ, проще по устройству и дешевле. В качестве примера далее описываются два.

Колориметр Л. И. Дем- к и и о й. Он изображен упрощен­ но на рис. 163. 1. Источник света А заключен в бутыль (ци­

линдр) из белого фарфора, внутри стенки бутыли закопчены окисью магния; В — окошко бутыли.

Сквозь него часть света от вну­ тренней поверхности падает на двояковыпуклую линзу L.

Перед линзой находятся три' цветных поглотителя— красный, зеленый и синий. Они располо­

жены в виде секторов на круге, находящемся перед линзой (рис. 163. 1 вверху слева). Перед каждым из цветных поглотителей расположен непрозрачный сектор, который может поворачиваться относительно середины круга и менять поперечное сечение пучка света, проходящего сквозь данный поглотитель. Прошедший сквозь линзу свет собирается и падает затем на белую рассеивающую пластинку С. Изменяя положение поворотных секторов, можно получить разную окраску пластинки С.

Она является одним из полей сравнения колориметра, которое глаз наблюдателя

452

К о л о р и м е т р п р о ф Н. Т. Ф е д о р о о а. На рис. 163. 2 упрощенно показано его устройство. Свет от лампы А проходит конденсор В и попадает внутрь выбеленного шарика С. Глаз сквозь окуляр D видит поля сравнения, образован­

ные с помощью кубика Люммера — Бродхупа: одно — внутренняя стенка шарика, другое — исследуемый образец. Насадка Е изнутри освещается лампочкой G, что

позволяет производить измерения при светлом окружении полей сравнения. Изме­ рительной частью являются три окошечка с переменной площадью, с цветными стеклами. Окошечки вставлены в конденсор. Микрометрическое устройство позво­

'международно принятых X, Y и Z, довольно плавно изменяются по спектру. Цвет Y

представляет собою сумму значений спектральной чувствительности среднего глаза. Фотоэлемент с выравниваю­ щим (под глаз) поглотителем дает показания, как раз про­

порциональные цвету Y.

Можно подобрать поглоти­ тель, при котором фотоэле­ мент дает показания, пропор­ циональные цвету 1. Что ка­ сается цвета X, то для его

измерения с помощью фото­ элемента потребуется иметь

поглотитель с довольно слож­ ным изменением коэффициен­ тов пропускания по спектру (кривая, изображающая их, имеет две вершины). Из-за этого для цвета X или делают

два раздельных поглотителя и измерения сквозь них скла­ дывают, или довольствуются гораздо менее точным подбо­ ром поглотителя.

В некоторых приборах применяются три или четыре фотоэлемента, каждый со своим поглотителем. В других у одного фотоэлемента поглотители переменяются. Электроизмерительные приборы дают в итоге показания, которые с помощью таб­ лиц, графиков или простых вычислений нетрудно перевести в международные или иные цвета.

Подобные приборы с тремя селеновыми фотоэлементами н стеклянными погло­ тителями изготовляются Всесозным научно-исследовательским светотехническим институтом. Они предназначены, главным образом, для измерения цвета источ­ ников света и стекол. Точность измерений приблизительно такая же, как и зри­

со значительной точностью. Порог чувствительности их невелик. Показания отдельных наблюдателей между собою значительно расходятся. Лишь если свет сквозь цветные стекла по спектральному составу близок к спектру исследуемого цвета, показания отдельных наблюдателей сближаются. Порог чувствительности к различению цветов у опытных' наблюдателей гораздо меньше без какого-либо прибора, чем с помощью зрительного колориметра. На производстве часто нуждаются в измерениях незначительной разницы, как гово­ рят, в оттенках. Зрительный и обычный фотоэлементный колориметры

453

для подобных измерений обыкновенно не подходят. Колори­ метры, ранее описанные и им подобные, предназначены, главным образом, для исследовательских или технических, а не производ­ ственных надобностей.

Если требуется измерять малые разницы в цвете, то для этого надо применять особо изготовленные фотоэлектрические колориметры с повышенной чувствительностью. Пригодны также спектрофото­ метрические измерения с повышенной точностью. Кроме того, в ряде случаев пригодны зрительные измерения при цветном освещении. Так, можно на яркомере или на светомерной скамье (как в п. 165) измерять коэффициент яркости сравниваемых образчиков при осве­ щении их сквозь цветные стекла от газосветных электрических ламп или ламп накаливания. Надобно при этом пользоваться контрастным кубиком. Фотометр «ФМ» приспособлен для подобных измерений.

164. Наборы (атласы) цветов. Для определения цветов в течение многих лет пользуются также наборами (атласами) цветов, особенно на производстве и в торговле. Они представляют собою образцы выкрасок (часто на бумаге) разных цветов, расположенных в какомлибо порядке. Каждый цвет получает свое обозначение. При пользо­ вании таким набором задача определения данного цвета состоит в том, чтобы отыскать в наборе цвет, наиболее похожий. Такие опре­ деления цветов очень удобны для практики. К набору предъявляется требование, чтобы выкраски были достаточно прочны и не выцве­ тали. Их должно быть достаточно много, чтобы можно было более тонко подбирать цвета. Близкие по цвету выкраски должны отли­ чаться друг от друга на одинаковое число порогов цветовой чувстви­ тельности глаза. Число цветов в наборе, достаточное для обычной практики — 500—600; иногда доходят до 2000. В СССР выпущен атлас проф. Е. Б. Рабкина. В США получил распространение набор Менсела (Munsell), в довоенной Германии — ДИН (DIN).

165. Определение цветовой температуры по цвету. В светотех­ нике большое значение имеет определение цветовой температуры электрических ламп накаливания. Самый простой способ — опре­ деление ее по подбору цвета светового потока ламп. Для этого поль- ’ зуются измерительными лампами цветовой температуры (п. 52). Электрическая лампа накаливания, пустотная или газополная, поверенная на цветовую температуру, устанавливается на одной стороне светомерной скамьи. Она освещает испытательную пластинку в светомерной головке. Последняя обыкновенно берется с контраст­

ным кубиком Люммера—Бродхуна. Некоторые наблюдатели находят, что предпочтительнее контрастное стеклышко убирать, так что трапеции имеют такую же яркость, как и незатененная часть поля сравнения. Но другие считают, что легче измерять при контрастных стеклышках. На другой стороне светомерной скамьи устанавливается измерительная лампа, поверенная на цветовую температуру (во ВНИИМ). Она освещает другую испытательную пластинку (или другую сторону одной и той же пластинки светомерной головки). Пусть наблюдатель видит поля сравнения светомерной головки раз­ ных яркостей и разного цвета. Он перемещает светомерную, головку

454'

вдоль скамьи в такое положение, чтобы яркости обоих полей сравне­ ния были равны. В этом положении легко можно увидеть, одина­ ков ли цвет обоих источников света или нет. Пусть они не одинаковы. Тогда у измерительной лампы накаливания меняется напряжение так, чтобы цвет ее света оказался одинаковым с цветом поверяемой лампы. Так как при изменении накала лампы меняется и сила света, то наблюдатель одновременно должен перемещать светомерную головку так, чтобы поля сравнения всегда были одинаковой яркости. Таким образом достигается равенство цветов обеих ламп. На осно­ вании этого говорят, что обе имеют цветовую температуру, одинако­ вую с температурой полного излучателя. Считают также, что и отно­

с распределением мощности у черного тела при найденной темпера­ туре. Обыкновенно погрешность из-за принятия такого допущения не превосходит ±3% , редко достигая ±5% . Опыт показывает, что у обычной осветительной электрической лампы накаливания изме­ нение напряжения на 0,25% изменяет цвет едва заметным образом. Более уверенное изменение цвета находится при изменении напря­ жения, приблизительно на 0,5%. В связи с этим неточность опре­ деления цветовой температуры описанным способом достигает около

±0,1—0,2%.

166. Определение спектральной чувствительности глаза. При опи сании способа получения пропорций смешения для спектральных цветов (п. 157) было указано, что их определение во ВНИИМ было совмещено с определением относительной видности. Уравнения вида (157. 20) преобразуются. Именно, известны соотношения сил света всех тех четырех источников света / ш, IR, / с и I в без цветных стекол (все они имеют одинаковую цветовую температуру), которые создают яркости Lw, LR, La и LB:

Кроме того, известны спектральные коэффициенты пропускания цветных стекол x}R, xXG и хХв. Поэтому известны:

где Px — спектральная мощность у источника белого света при длине волны X. Отношение Р ^ Р х о находится таким путем. Уравнения (157. 20) умножаются на коэффициенты, пропорциональные PxJPxow У источника белого света. Затем складываются левые части уравнений и правые. Каждая сумма дает белый свет. Сумма коэф­ фициентов при Lr , или La, или LB, если принять во внимание урав­ нения (157, 18), дает возможность найти отношение Рхо/Рхо® и затем

Рх/Рм-

455

Подстановка равенств (166. 2) в уравнения (157. 20) с учетом найденных отношений Рк/Рко дает возможность вычислить Точность значений на краях спектра невелика.

Есть другие способы определения относительной видности. Так, можно сличать по два спектральных цвета, сдвинутых в спектре лишь на немного, например 2 нм или несколько больше, чтобы не затруднить из-за разницы в цвете световые измерения. Отношения лучистых мощностей должны быть известны. Найдя ряд отношений

;+2> /+2, . . . для близко расположенных длин волн, для более удаленных эти отношения находят графически. Таким путем была определена и международно принятая в 1924 г. относи­ тельная видность. Способ ВНИИМ несколько сложнее для осуще­ ствления, но точнее и надежнее; вместе с тем он одновременно дает и такие пропорции смешения спектральных цветов, которые вполне увязаны со спектральной чувствительностью, как это и должно быть.

ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ

ОБОРУДОВАНИЕ СВЕТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ

167. Два вида лабораторий. Подбор приборов для них. Обыкн венно заводы и научно-исследовательские институты, нуждающиеся

всветовых измерениях небольшого объема, создают не самостоятель­ ную светоизмерительную лабораторию, а лишь ячейку, входящую

всостав какой-либо другой лаборатории. Но все же отдельные све­ тоизмерительные лаборатории, нередко, правда, небольшого размера, устраиваются гораздо чаще, чем это можно было бы ожидать, исходя из их сравнительно узкой целевой направленности.

Светоизмерительные приборы подбираются для лабораторий, конечно, соответственно поставленным задачам. Задачи меняются часто, и их гораздо больше того, что могут обслужить обычно изго­ товляемые для более или менее широкого назначения светоизмери­ тельные приборы. Большинство таких приборов, выпускаемых для нужд разных потребителей, обыкновенно (но не всегда) приспособ­

лено для определенных и ограниченных надобностей, например для испытания тех или иных изделий. Лишь в редких случаях какойлибо прибор, изготовленный на специальном заводе или же в порядке отдельного заказа на заводе иной специальности, представляется во всем законченным. Часто к нему требуется еще ряд вспомогатель­ ных принадлежностей, нужны источники питания электрической энергией, необходимы электрические измерительные приборы, рео­ статы; обыкновенно нет или недостаточно приспособлений для поверки, нет принадлежностей для затенения от постороннего света

456

Во многих случаях наличие прибора заранее предопределяет способ измерений; иногда один и тот же прибор допускает разные способы измерений. В иных случаях способ измерений является заданным, например в утвержденном стандарте, или наперед выбран­ ным. Поэтому приходится подбирать подходящие для него приборы. Далее, многие приборы заказываются и распределяются в плановом порядке, и, следовательно, их получение сопряжено с известным промежутком времени.

По совокупности всех обстоятельств приходится сделать вывод, что подбор светоизмерительных приборов предпочтительнее про­ изводить на основе, прежде всего, полного учета непосредственного опытного применения приборов в схожих условиях, т. е. при одинаковости разрешаемых задач. Использование уже имеющегося в нескольких местах на заводах и в институтах опыта ведения таких же измерений — наиболее правильный путь для их дальней­ шего усовершенствования. Книги и журнальные статьи далеко не охватывают всего опыта, накопленного в светоизмерительных лабораториях и у их работников.

Можно предполагать, что при подборе оборудования не всегда полностью учитываются возможности сотрудничества и технической помощи вновь создаваемого светоизмерительного лабораторного участка с какой-либо крупной самостоятельной светоизмерительной лабораторией. Пусть лаборатория стекольного завода должна про­ верять качество изделий — цветных сигнальных стекол, притом выпуклых, на коэффициент пропускания. Пусть она имеет возмож­ ность получить от другой лаборатории поверочные образцы своих же изделий, точно измеренные, притом подобранные по нижнему и верх­ нему (если это требуется) допускам. Тогда первой лаборатории доста­ точно иметь самое простое оборудование, например, светомерный шар и селеновый фотоэлемент с подогнанным поглотителем и затем надлежащую электроизмерительную часть, а лучше и без нее. Спо­ соб измерений в первой лаборатории надо сделать о т н о с и т е л ь - н ы м, подобранным так, чтобы измерения первой лаборатории дела­ лись по сравнению с поверочными образцами, которые считаются исходными и правильными.

Светомерный шар в заводских условиях при частом употребле­ нии сравнительно скоро запыляется. Опять-таки при наличии поверенных образцов, вместо шара, т. е. прибора относительно широкого назначения, можно сделать особый более простой прибор. Возможно применить три селеновых фотоэлемента, размещенных на некотором расстоянии (например, через 10°), а испытуемое изде­ лие ставить по отношению к ним в три разные положения (напри­ мер, через 30°). В итоге коэффициент пропускания измеряется в девяти направлениях, что в ряде случаев окажется достаточным; такой прибор, следовательно, заменяет и распределительный фото­ метр.

Если по поверочному образцу поверять измерительную установку в начале рабочего дня и немного позже середины его, то таким путем дегко убедиться в ее исправности, хотя бы она была собрана из таких

457

не вполне устойчивых и надежных измерительных приборов, как шар и селеновые фотоэлементы. Впрочем, селеновые фотоэлементы должны быть где-то отобраны и испытаны.

Иное дело, если светоизмерительная лаборатория должна или сама готовить поверочные образцы, или, во всяком случае, в какой-то части своих работ основываться на собственных исходных измере­ ниях. Тогда оборудование лаборатории значительно осложняется, даже если разнообразие световых измерений не столь обширно. Кроме приборов, применяемых для производственных измерений, нужны и такие, которые призваны поверять первые.

Многолетний опыт подтверждает, что если стремятся обеспечить надежность измерений, т. е. если имеется в виду принять действи­ тельные меры против ошибочных измерений, то нужно иметь двой­ никовые измерительные установки: одну для постоянных измерений и вторую — запасную, применяемую только изредка для поверки первой. Двойниковая установка не столь нужна, если есть набор образцов или разных приспособлений, допускающих быстро пове­ рять правильность действия первой установки или допускающих ее самопроверку.

Предыдущие соображения показывают, что можно разделить светоизмерительные лаборатории на два вида: независимые (само­ стоятельные) и зависимые. Вторые имеют узкое назначение, не имеют приборов,, предназначенных для поверки рабочих или производствен­ ных светоизмерительных приборов. Правильность измерений и испы­ таний в зависимых лабораториях основывается на наличии пове­ рочных образцов изделий, тщательно поверенных в независимых лабораториях.

Оборудование зависимых лабораторий или лабораторных ячеек подбирается в пределах узкой прямой необходимости и на основе бережливости средств. Напротив, независимые лаборатории обору­ дуются с достаточной широтой и с некоторым запасом. Кроме обору­ дования для решения своих измерительных задач они должны распо­ лагать еще измерительными средствами для технического содействия зависимым лабораториям, для поверок своих приборов и для точного измерения поверочных образцов изделий, требующихся зависимым лабораториям.

Приблизительно такое разделение видов лабораторий соблюдается в поверочных учреждениях ведомства мер и измерительных прибо­ ров СССР уже несколько десятков лет и вполне себя оправдало.

Требование обеспечить собственные и сторонние поверки приводит к тому, что независимые светоизмерительные лаборатории должны иметь такие приборы, хотя бы они и не требовались для непосред­ ственных задач: 1. Светоизмерительная скамья с возможностью, например, путем удлинительных приставок или передвижных сто­ лов располагать длиною до 5 м, а то и более. 2. Набор вращающихся поглотителей. 3. Переносный лабораторный светоизмерительный прибор, например, видов, описанных в п. 105 и 151. 4. Набор свето­ измерительных и иных электрических ламп, измеренных на силу света, яркость и цветовую температуру, световой поток. 6. Наборы;

458

поверочных цветных и серых стекол и белых пластинок. Перечислен­ ное оборудование является наименьшим для решения разнообразных задач.

Кроме того, как уже указывалось, лаборатория обеспечивает себя особенно тщательно измеренными образцами тех изделий, кото­ рые часто проходят лабораторные испытания, чтобы время от вре­ мени убеждаться в степени устойчивости своих измерений.

Помещение светоизмерительных лабораторий рекомендуется иметь затемненным, с черными потолком, стенами и полом. Такое черное помещение отчасти неудобно для людей, для всякого рода переста­ новок в оборудовании и для поддержания чистоты. Однако оно хорошо содействует защите от постороннего света, что очень важно, так как из-за него проистекает немало ошибок.

С в е т о и з м е р и т е л ь н ы е п р и б о р ы с а в т о м а т и ­ ч е с к о й з а п и с ь ю . При современном развитии разнообраз­ ных автоматически действующих измерительных приборов не пред­ ставляет особых затруднений изготовление подобных автоматиче­ ских приборов для разных световых измерений. Кроме описанного в п. 146 спектрофотометра разработаны, например, такие приборы или измерительные установки, в которых что-либо выполняется автоматически: 1. Прибор, показывающий на особой шкале, при измерениях ламп накаливания в светомерном шаре, укладывается ли световой поток и световая отдача в установленные допуски. 2. Уста­ новка (ВНИСИ) для проверки цвета люминесцентных ламп, пока­ зывающая цвет измеряемой лампы на графике. 3. Регистрирующие микрофотометры, предназначенные для записи плотности спектро­ грамм и разных других фотоснимков (выпускаются заводом). 4. Авто­ матический регистрирующий фотоэлементный фотометр, вычер­ чивающий линии равных почернений (или коэффициентов пропуска­ ния) на фотоснимках, например, астрономических (Главная астро­ номическая обсерватория в Пулкове; ГАО). 5. Установка с автомати­ ческой записью относительной мощности в спектре солнца (ГАО). Предложено несколько измерительных устройств для непосредствен­ ной записи на график кривых распределения силы света у ламп и светильников. Много лет применяются регистрирующие фотоэлементные люксметры для записи дневной освещенности. Имеется ряд полуавтоматических приборов, часто зрительных, в которых каждая точка в ряду наблюдений отмечается на графике, нажатием кнопки. Применяются автоматические и полуавтоматические приборы в слу­ чаях очень большого числа однородных измерений. При этом время, затрачиваемое обслуживающим работником на смену и установку измеряемых предметов, должно быть невелико, если от автомати­ ческой измерительной установки ожидают уменьшения стоимости расходов на измерения. Более широкому применению автоматиче­ ских приборов препятствует их более высокая стоимость и меньшая точность (в большинстве приборов).

168. Размещение приборов. Опыт показывает, что тесное размещение при­ боров, вызывающее разные затруднения в смысле доступности для осмотра и наблю­ дения за их исправным состоянием, обыкновенно приводит к неблагоприятным

459

последствиям. Размещение лабораторных столов с приборами у стен пли на стен­ ных полках для более полного использования площади помещения или для предо-, хранения приборов от тряски также приводит иногда к менее удовлетворитель­ ному наблюдению за приборами.

Этот вопрос поставлен здесь с целью предостеречь от чрезмерно уплотненной расстановки приборов. Особенно нежелательна теснота в затененных и с черными стенами помещениях. В конечном счете удобное для измерении и для обслужи­ вающих людей размещение приборов повышает производительность труда, увели­ чивает степень правильности ведения измерений и уменьшает число ошибочных действий.

Вот основные правила: приборы размещаются так, чтобы доступ к ним был возможен со всех сторон. Около лабораторных столов должен быть проход со всех сторон (т. е. столы не ставятся вплотную к стенам)-Для наблюдателя должно быть обеспечено сидячее место в удобном положении. Должно быть предусмотрено под­ ходящее место для расположения книги записи наблюдений.

169. Электроизмерительная часть. При световых измерениях применяются почти исключительно электрические лампы, притом с вольфрамовой ннтыо нака­ ливания, и гораздо реже газосветные, паросветные и люминесцентные. Приме­ няется также и дневное естественное освещение, но редко. Электрические лампы накаливания хорошо изучены и отличаются удовлетворительной устойчивостью.

Сила света и световой поток электрических ламп накаливания, как и их яркость, увеличиваются или уменьшаются на 1% при увеличении или соответственно умень­ шении напряжения электрической энергии приблизительно на 0,2S%, а силы тока — на 0,10?6. Чтобы устранить пли хотя бы ослабить влияние колебаний напряже­ ния при питании электрических ламп, стараются применять такие способы изме­ рений, при которых некоторое изменение силы света не оказывает влияния; напри­ мер, два сравниваемых пучка света берутся только от одного источника или же две сравниваемые лампы накаливания, приблизительно одинакового устройства, включаются в сеть параллельно. Такие приемы не всегда возможны. Поэтому при­ ходится заботиться о питании электрических ламп от источников электрической энергии с постоянным напряжением и о достаточно точных электрических изме­ рениях.

Хорошо оснащенные светоизмерительные лаборатории имеют в своем распо­ ряжении одну или две аккумуляторные батареи емкостью 300—500 а-ч, с напря­ жением около 135— 140 в. Для питания маломощных и низкого напряжения элек­ трических ламп применяют еще низковольтные (12— 14 в) батареи емкостью 100— 200 а-ч. Такой способ питания сложился исторически, так как в прежнее время было трудно получать переменный ток с неизменным напряжением и трудно было произ­ водить электрические измерения на переменном токе с большой точностью.

Чтобы производить световые измерения с неточностью не выше 1% в усло­ виях, когда на них влияет колебание напряжения, надо обеспечить постоянство напряжения и правильность его измерения с неточностью не выше, примерно, одной трети от ранее указанного числа 0,28%, т. е. около 0,1%. (Это условие взято из тео­ рии погрешностей измерений. Именно, случайная погрешность от некоторого источника погрешностей почти не влияет на итог измерений, если она составляет около трети более крупной случайной погрешности от другого источника их). Следо­ вательно, электроизмерительные приборы, магнитоэлектрические, класса 0,1, не всегда могут обеспечить необходимую точность, и в некоторых лабораториях применяют потенциометры (иначе— компенсаторы). Измерения с ними сложнее и медленнее, а стоимость приборов значительно дороже.

Многие лаборатории в последние годы перешли на питание электрических ламп переменным током от общей лабораторной сети электрической энергии, при­ меняя стабилизаторы напряжения. Электрические измерения выполняют лабора­ торными динамометрическими приборами класса 0,2 или 0,1. В особых случаях точных измерений переменный ток берут от отдельного генератора, вращаемого двигателем постоянного тока от отдельной аккумуляторной батареи. Электриче­ ские же измерения производят потенциометрами постоянного тока с помощью термо­ электрических преобразователей; в них переменный ток подогревает термоэлемент, напряжение у которого и измеряется упомянутым потенциометром.

При точных измерениях газосветных, паросветных и люминесцентных электри­ ческих ламп, чтобы создать строго определенные и воспроизводимые условия их

460