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

Полный коэффициент пропускания т, вычисляемый таким же

Пусть имеется т пластин, сквозь которые проходит свет; весь отраженный поток есть FQ(т), а весь прошедший их световой поток есть Fx (т). Если было бы п пластин, то потоки составили бы соот­ ветственно F0 (п) и Fx (п). Если теперь свет проходит' т + п пла­ стин, то отраженный поток составит:

щения и пропускания света. В предыдущем изложении спектральный состав света не рассматривался. Для одной и той же среды числовые значения коэффициентов отражения, поглощения и пропускания света могут быть различными для света неоднородного (смешанного) или одноволнового, в зависимости от длины волны. Поэтому во мно­ гих случаях необходимо указывать (или измерять, или как-либо иначе определять) спектральный состав света, для которого даются перечисленные коэффициенты. Иногда последние определяются для одноволнового света по всей области видимого спектра. Таким путем получаются спектральные характеристики коэффициентов отраже­

ветственный коэффициент для одноволнового света той или иной длины волны.

Поверхность, одинаково отражающая свет всех длин волн, назы­ вается белой, если коэффициент отражения для нее более 0,65 или серой, если последний менее 0,65. Такие поверхности весьма часто требуются для световых измерений.

Среда, одинаково пропускающая свет всех длин волн, называется бесцветной или серой (при коэффициенте пропускания меньшем, чем, примерно, 0,5—0,7). Эти средины (обычно в виде серых или

дымчатых стекол г) находят частое применение при световых изме­

рениях.

Коэффициент отражения света (светового потока) для белых и серых поверхностей одинаков с коэффициентом отражения лучи­ стой мощности 12 для тех же поверхностен. Такое же равенство имеется и у коэффициентов пропускания потока и лучистой мощ­ ности. Для цветных (окрашенных) поверхностей и средин (тел) спектральные коэффициенты отражения, пропускания и поглощения для одноволнового светового потока и, соответственно, одноволиовой лучистой мощности — одинаковы, но общие коэффициенты отражения, пропускания и поглощения для светового потока сме­ шанного спектрального состава и для соответственной лучистой мощ­ ности, как общее правило, не одинаковы. Соотношение же между соответственными коэффициентами для светового потока и лучистой мощности может быть-найдено при помощи видностп и спектральных

жения. Вычисление коэффициента яркости для одноволнового света.

Если коэффициент пропускания света для отдельных участков спектра (тя;) известен, то вычисление общего коэффициента пропу­ скания для света известного спектрального состава производится на основании учета видностп лучистой мощности [см. выражение

(21.4)]. Очевидно

(40. 1)

(40. 2)

Подобным же образом вычисляются и общие коэффициенты отра­ жения и поглощения [т. е. в правой части выражений (40. 1) и (40. 2) подставляется соответственно или gw, или aw ].

Иногда приходится решать и обратную задачу: известен общий коэффициент яркости, известно распределение лучистой мощности

1 Такие стекла все же не имеют одинаковых коэффициентов пропускания

по спектру.

г Лучистая мощность рассматривается в пределах видимого спектра.

82

Стеклянной прнзмон полного внутреннего отражения, распо­ ложенной недалеко от излучателя (около 25 см от конца трубочки).

Линза, находящаяся вблизи призмы, соби­ рает проходящие сквозь нее лучи света па пластинке светомерной головки, так что получается изображение отверстия и краев его в крышке, прикрывающей одновременно весь сосуд с платиной и частично трубочку. Освещенность (Е) пластинки светомерион головки прямо пропорциональна яркости (L) излучателя (п. 128):

Рис. 43. 2. Расположение приборов при изме­ рениях светового эталона: а — лампа сравне­ ния; б — светомерная головка; в — оптика; г — эталон. Измерения — зрительные.

пропускания света т в таких условиях, которые достаточно похожи на условия применения оптической системы у полного излучателя и вместе с тем включают необходимые поправки.

84

По пути лучен — между линзой и светомерной головкой — можно помещать голубое стекло, которое изменит цвет прошедшего света и, именно, приблизит его к цвету света от осветительных электрических ламп.

Светомерная головка неподвижно помещается на светомерной скамье, на которой при зрительных измерениях находится еще лампа сравнения. Ее перемещает наблюдатель, чтобы достигнуть равенства освещенностей (вернее — равенства яркостей полей сравнения) испы­ тательной пластинки с обеих сторон. Таким путем может быть опре­ делена (по известной освещенности и по измеренному расстоянию между лампой сравнения и пластинкой) сила света лампы сравнения. Если вместо излучателя поставить по очереди лампы из числа образующих вторичный эталон (без оптической системы), то можно определить их силы света, исходя из лампы сравнения..

Разогрев излучателя производится путем пропуска-ния надлежа­ щего по силе тока по окружающей его обмотке — в платине возни­ кают электрические токи, под влиянием которых она нагревается. По мере нагревания она накаливается, доводится до расплавления и еще несколько нагревается, чтобы температура ее поднялась немного выше точки плавления. Теперь дают платине медленно остывать, уменьшая ток в обмотке. Начиная со времени приближения температуры платины к точке плавления, ведут измерения яркости внутренности трубочки.

Эти измерения ведутся в течение всего времени расплавления и последующего затвердевания платины. В течение 5—15 мин пере­ хода из твердого состояния в жидкое и обратно температура платины не меняется, не меняется и яркость трубочки, что и отмечается наблюдением.

Размеры трубочки и отверстие над ней таковы, что внутренняя полость ее вполне может считаться абсолютно черным телом. Таким образом, описанное устройство позволяет измерять яркость абсо­ лютно черного тела при температуре затвердевания платины. Сама температура была определена в 2042° К. Неоднократные повторения опытов показали, что световой эталон данного устройства вполне хорошо воспроизводим. Выяснено, что во время расплавления пла­ тины яркость ее та же; определяется она с одинаковой точностью (ранее считалось, будто бы при плавлении температура стенок тру­ бочки еще не успевает достаточно хорошо выравниваться). Следует иметь в виду, что изменение температуры всего лишь на 1° С вызы­ вает изменение яркости на 0,6%. Поэтому весьма точное установление температуры, при которой измеряется яркость излучателя, чрез­ вычайно важно для обеспечения надлежащей точности в воспроиз­ ведении световой единицы. Приходится брать платину высокой чис­ тоты, так как малейшее загрязнение ее может изменить температуру плавления. Сосуды и трубочки взяты из окиси тория, так как наблю­ дения показали, что они не загрязняют платину. Но сама по себе окись тория должна быть взята также высшей чистоты. При нагре­ вании платины электрическими высокочастотными индукционными токами она по достижении жидкого состояния сильно перемешивается

85

(под действием электромагнитного поля), что обеспечивает одинако­ вую температуру по всей длине трубочки.

На рис. 43. 3 показан ход измерений освещенности от основного эталона пятью наблюдателями, причем один наблюдатель произ­ водил измерения также и при плавлении. При передаче значения све­ товой единицы лампам вторичного эталона производится много плавок (например, около 25), чтобы уменьшить влияние случайных погрешностей измерений и тем повысить их точность. Для повыше­ ния точности применяют также не один, а два — три излучателя. После нескольких плавок они могут разрушаться н потому являются сменными, а не постоянными.

Рис. 43. 3. Измерение освещенности от эталона пятью наблюдателями.

Работа с основным эталоном сложна и трудоемка. В связи с этим его применяют в цело возможно реже, только для наблюдения за сохранностью ламп вторичного эталона, что требуется не чаще как примерно через 6 лет.

Основной световой эталон, таким образом, применяется только для , исходного воспроизведения размера единицы освещенности и передачи ее размера лампам вторичного эталона. Впрочем, он используется во ВНИИМ еще для установления цветовой темпера­ туры в 2042° К, а также и яркостной температуры (2042° К).

Вторичный световой эталон ВНИИМ состоит из (18) вольфрамо­ вых ламп накаливания (типа № 5; см. п. 55); они горят при цвето­ вой температуре в 2042° К, как и основной эталон. Создан еще и другой вторичный эталон (из 18 ламп, № 3), являющийся рабочим в том смысле, что, собственно, он-то и является главным для раз­ множения световых единиц. Он сличен с основным и с первым из упо­ мянутых вторичных световых эталонов и имеет цветовую темпера­ туру в 2353° К. При измерениях помощью глаза со стороны источ-

86

ников света с цветовой температурой 2042° К ставится голубое стекло, после прохождения которого цвета обоих сравниваемых источ­ ников представляются одинаковыми, и сличение освещенности от них может быть произведено с достаточно высокой точностью. До недав­ него времени измерения предпочитали осуществлять зрительными,

ане физическими способами), но теперь по-видимому — наоборот. Коэффициент пропускания голубого стекла вычисляется по изме­

ренным спектральным коэффициентам пропускания (п. 40).

По рабочему эталону поверяются образцовые светоизмеритель­ ные лампы накаливания (1 -го разряда), одни из которых (типа № 3 и № 4) имеют цветовую температуру 2353° К, а другие — 2788° К (типов № б и [№ 7). Сличение (зрительное) ламп при 2788° К производится так, что со стороны эталонных ламп с цветовой темпе­ ратурой 2353° К ставится голубое стекло, уже упоминавшееся. По этим образцовым лампам и поверяются светоизмерительные лампы для удовлетворения запросов страны.

Основной световой эталон воспроизводит единицу освещенности с неточностью (внутри одной лаборатории) около ±0,1% , . У свето­ измерительных ламп, получаемых из ВНИИМ, неточность той же единицы возрастает примерно до ±0,25—0,3% у одной лампы (но меньше у нескольких; см. п. 57).

44. Производные эталоны. Основной световой эталон воспроиз­ водит лишь единицы светового потока, освещенности и, условно, силы света. Разумеется, он одновременно воспроизводит и те еди­ ницы, которые образуются как произведение перечисленных единиц на единицы времени.

Между световыми величинами одного источника света и создавае­

можно перейти к другой. Однако такой переход связан часто со зна­ чительной затратой труда, требует дополнительного лабораторного оборудования и сопровождается той или иной погрешностью, кото­ рую далеко не всегда возможно выявить. Гораздо целесообразнее, чтобы такой переход совершало главное метрологическое учрежде­ ние. В соответствии с запросами практики ВНИИМ имеет в настоя­ щее время производные эталоны люмена, при распространении последнего по всем направлениям (от источника света), и нита.

45. Разрядные образцовые меры и измерительные приборы. Из пре­ дыдущего изложения можно заключить, что кроме эталонов — внеразрядных образцовых мер — для воспроизведения световых еди­ ниц нужны еще разрядные образцовые светоизмерительные лампы. Разрядные образцовые лампы обыкновенно находятся только во ВНИИМ. Так как условия их применения довольно хлопотливы, то к владению образцовыми светоизмерительными лампами и не стре­ мятся.

Разные светоизмерительные приборы, дающие показания непо­ средственно или косвенно в световых единицах, например люкс­ метры и нитметры (главы 12 и 15), в ряде случаев могут поверяться по светоизмерительным лампам. С точки зрения обычных поверочных

87

правил в таких случаях надо применять именно образцовые лампы. Так и поступают во ВНИИМ. Но так как: 1) рассматриваемые при­ боры не подлежат обязательной государственной поверке; 2 ) обычные (рабочие) светоизмерительные лампы поверяют (во ВНИИМ) с удов­ летворительной и достаточной точностью и 3) для уменьшения неточ­ ности можно при поверке одного и того же светоизмерительного прибора применять несколько светоизмерительных ламп (например, 3 и более), то в обычной практике (вне ВНИИМ) довольствуются употреблением при поверках именно обычных, а не образцовых светоизмерительных ламп.

Удобнее, проще и дешевле поверять различные светоизмеритель­ ные приборы, если их число сколько-нибудь значительно, по образ­ цовым приборам приблизительного того же вида, но обладающего достаточной точностью, чем по светоизмерительным лампам. Напри­ мер, удобнее поверять обычные люксметры, и особенно селеновые, по образцовому люксметру. К таким образцовым приборам предъ­ являются повышенные требования, по сравнению с требованиями к рабочим измерительным приборам. Во всяком случае, образцовые приборы должны обладать большим постоянством и пределы неточ­ ности их должны быть известны и достаточно узки. Поверка для собственных нужд таких образцовых светоизмерительных приборов производится часто самими лабораториями, которым это необхо­ димо, притом по светоизмерительным лампам.

46. Оценка состояния исходного воспроизведения световых единиц. Основном световой эталон, в общем, удовлетворяет своему назначению в том смысле, что дает возможность воспроизводить световые единицы с удовлетворительной точ­ ностью. Но он не лишен некоторых недостатков; из них самый существенный — невысокая температура. Вследствие этого цвет света оказывается сильно отличаю­ щимся от цвета применяемых на практике источников света, что ведет при их изме­ рениях к заметной потере точности; приходится применять для них световые еди­ ницы уже с другим спектральным составом, чем при исходном воспроизведении, что, собственно, н вызывает увеличение неточности (см. главу 8).

Основной световой эталон, как он описан в п. 43, был выбран после многих испытаний, причем ранее предлагались и.иные эталоны. Он оказался лучше дру­ гих, а еще более совершенного разработать не удалось. Таким образом, приходится считать, что поиски нового, более совершенного светового эталона или поиски иного способа воспроизведения световых единиц (см. ниже) нельзя считать исклю­ ченными из числа задач, стоящих перед областью световых измерений, хотя, конечно, их не следует относить к первоочередным.74

47. Связь световых единиц с энергетическими. Основной световой эталон установлен самостоятельно и независимо от других единиц измерений. С научной и практической точки зрения важно устано­ вить числовое соотношение между световыми единицами и соответ­ ственными единицами лучистой энергии.. В сущности, оно уже уста­ новлено самим определением люмена, так как при температуре затвер­ девания платины черное тело излучает вполне определенное коли­ чество лучистой энергии при известном распределении ее по спектру. Казалось бы, эту лучистую энергию стоило только измерить в соот­ ветственных единицах и тогда соотношение между люменом и ваттом легко найти. Таких измерений было немного вследствие трудности обеспечить сколько-нибудь приемлемую точность. Однако можно

88

искомую величину рассчитать, исходя из взаимной физической связи ряда физических явлений, следовательно косвенно, опираясь на род­ ственные опытные исследования.

48. Вычисление светового эквивалента лучистой мощности. Световой поток F, испускаемый черным телом при температуре затвердевания пластины с 1 см2, равен

60л лм. С другой стороны, по выражению (21. 3) и по формуле Планка для излуче­ ния черного тела, ом равен:

750

F = сЛ [ Х-ъ (сс*/кт — l)'1 VKdk = 60л.

400

Отсюда

,,60л

Коэффициент же сх вычисляется из выражения:

Прямое опытное определение светового эквивалента представляет значитель­ ные трудности. Один из предварительных опытов ВНИИМ был поставлен — в основ­ ных чертах — таким образом. Свет от мощной электрической лампы разлагается в двойном монохроматоре. Из выходной щели выпускается одноволновой свет

89

с длиною волны н 556 нм. Измеряется мощность выходящего пучка спета особо поверенным термостолбиком (п. 82). Этот же пучок измеряется селеновым фото­ элементом с исправляющим поглотителем (пп. 85, 90). Затем фотоэлемент с погло-

тнтелем поверяется на светомерной скамье по образцовой лампе. Окончательные опыты связаны со значительным осложнением измерительных устройств. Первые опыты дали число 673 ± 10 л.и/вт.

ГЛАВА ПЯТАЯ

ОПОРНЫЕ ТОЧКИ ДЛЯ ЕДИНООБРАЗИЯ СВЕТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

49. Единообразие световых измерений. Опорные точки для едино­ образия. Единообразие световых измерений в стране означает прежде

несколько ограничивает свободу и независимость в выборе единиц отдельными лицами и учреждениями. Вместе с тем оно доставляет очевидные преимущества для научно-технической и практической деятельности. Оно поощряется общественностью или даже государ­ ственной властью.

Практика указывает на необходимость расширять основы, обес-' печивающие единообразие. Одних светоизмерительных ламп, соз­ дающих опорные поверочные точки только в области единиц, — недостаточно. Подобные опорные точки созданы во ВНИИМеще для единообразия измерений при некоторых важных о т н о с и т е л ь ­ н ы х измерениях. Именно, имеются: образцовые лампы для отно­ сительного распределения мощности в спектре и для цветовой тем­ пературы, образцовые пластины для коэффициентов яркости и отра­ жения, образцовые серые и цветные стекла для общих и спектраль­ ных коэффициентов пропускания света.

Следует считать, что в будущем для тех же целей единообразия окажется полезнымдалее расширить опорные точки. Потребуется применять образцовые светоизмерительные приборы не только

90