Способ измерения фотометрических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области измерения фотометрических характеристик материалов, таких как коэффициенты отражения, пропускания, рассеяния и др. Материалы могут быть как оптические, так и конструкционные, а также природные, такие как почвы, растения и пр. Характеристики измеряются в различных участках спектра оптического диапазона длин волн. Сущность изобретения: в импульсном фотометре используется лампа накаливания и подбирается безопасный способ ее включения, например, такой, в котором ток через лампу в любой момент не превосходит максимально допустимое для данной лампы значение. Такой режим обеспечивается микропроцессорным устройством. Это же устройство синхронизирует момент включения лампы и момент измерения сигналов в фотометре, т.е. обеспечивает оптимальный момент измерения. Изобретение обеспечивает хорошую долговечность лампы накаливания, хорошие спектральные характеристики импульсного источника излучения и позволяет получить все преимущества импульсного режима работы фотометра.

Изобретение относится к области измерения фотометрических характеристик материалов, таких как коэффициенты отражения, пропускания, рассеяния и др. Материалы могут быть как оптические, так и конструкционные, а также природные, такие как почвы, растения и пр. Указанные характеристики измеряются в различных участках спектра оптического диапазона длин волн.

Области применения приборов для измерения фотометрических характеристик материалов весьма разнообразные: в промышленности для контроля при производстве той или иной продукции, в медицине, в геологии и экологии, а также в научных исследованиях.

Существует большое число фотометров и спектрофотометров, измеряющих коэффициенты отражения, рассеяния и пропускания. Среди них относительно небольшое количество приборов, работающих в полевых условиях, и совсем мало - измеряющих диффузные коэффициенты отражения в относительно широком спектральном диапазоне в полевых условиях. Это объясняется требованием большого динамического диапазона регистрации излучения в этих приборах, сильным влиянием внешней засветки, ограниченным энергоресурсом, конструктивными особенностями. Поэтому прежде всего в этих приборах нашел применение способ измерения с использованием импульсной газоразрядной лампы в качестве источника излучения [1, 2]. Способы измерения с применением светодиодов и лазеров не рассматриваются, поскольку они предназначены для работы в узких спектральных интервалах. Основные преимущества этого способа состоят именно в обеспечении большого динамического диапазона, уменьшении влияния внешней засветки, экономии энергии источника питания. В приборах, использующих такой способ измерения, как правило, применяется импульсная газоразрядная лампа в качестве источника из лучения[4, 5, 6].

К недостаткам таких источников следует отнести нестабильность энергии источника излучения от импульса к импульсу, высоковольтный источник питания, малая эффективность в ИК-области спектра и наличие сильных электромагнитных помех, сопровождающих излучение. В фотометрах [5, 6], предназначенных для измерения коэффициента отражения измеряемого образца, использована геометрия измерения О/D, в приборе "альфа" - геометрия измерения D/О, где D - диффузное освещение или наблюдение и О - освещение или наблюдение по нормали к поверхности образца, но для предлагаемого способа измерения это существенного значения не имеет. В обоих случаях источником освещения служит импульсная газоразрядная лампа, основное достоинство которой - большая энергия излучения и высокий световой КПД в видимой и УФ-областях спектра. К недостаткам способа с применением импульсной газоразрядной лампы следует отнести нестабильность энергии излучения от импульса к импульсу, высоковольтный источник питания, линейчатый спектр, наличие электромагнитных помех, сопровождающих используемое в фотометре излучение, в ряде случаев большие габариты тела свечения.

От этих недостатков в значительной мере свободна лампа накаливания, традиционно используемая в фотометрах для измерения фотометрических характеристик материалов (например, серийные фотометры ФЭК-60, НФО, КФК-2, КФК-3 Загорского оптико-механического завода); однако она потребляет значительную мощность (энергию) от источника питания, нагревает элементы прибора, что приводит к их нестабильной работе. Использование лампы накаливания в кратковременном режиме работы, т.е. включение на время измерения с последующим выключением после измерения, сильно сокращает срок службы дампы накаливания и не позволяет полностью использовать энергию источника излучения, так как в этом случае сигнал на фотоприемнике, соответствующий измеряемой фотометрической характеристике материала, будет пропорционален мощности источника излучения в установившемся режиме работы. Для того, чтобы выйти на этот режим, требуется некоторое время, в течение которого бесполезно расходуется энергия источника излучения.

Сущность данного изобретения заключается в применении импульсного способа измерения фотометрических характеристик материалов с использованием в импульсном режиме лампы накаливания, при этом для устранения указанных выше недостатков предлагается подобрать ей безопасный режим включения, например такой, в котором ток через лампу в любой момент не превосходит максимально допустимое для данной лампы значение. Такой режим может обеспечиваться микропроцессорным устройством, управляющим блоком питания лампы. Закон изменения тока через лампу в этом случае задается программой микропроцессора и может быть легко подобран оптимальным для данного типа лампы и режима ее работы. В этом случае форма импульса излучения будет определяться этим законом и лампа относительно долго выходит на установившийся режим, соответствующий требуемой для измерения заданных фотометрических характеристик материалов цветовой температуре источника. Поэтому для полного использования энергии источника излучения предлагается в момент достижения требуемой цветовой температуры лампу выключать. Если энергия излучения при этом мала, то лампу выключают несколько позже, когда достигается нужная энергия излучения. В этом случае форма импульса излучения будет иметь относительно пологий передний фронт и экспоненциальный срез, определяемый остыванием выключенной лампы. В этой форме импульса может не быть установившегося режима, но она благоприятна для работы лампы накаливания и обеспечивает хорошую долговечность ее работы. Испытания показали, что в таком импульсном режиме лампа может работать при значительном превышении питающего напряжения над номинальным. Так, в экспериментальном образце накладного фотометра экологического назначения, получившем золотую медаль на международной выставке 1997 г. в Брюсселе, использовано 6 ламп накаливания в импульсном режиме работы при удвоенном относительно номинального напряжении питания. За два года работы прибора ни одна из ламп не вышла из строя.

Чтобы использовать в фотометре такой импульс излучения предлагается фотоприемное устройство сделать интегрирующего типа с постоянной времени, большей длительности импульса излучения лампы накаливания, т.е. перейти на импульсный способ измерения [3]. В этом случае предложенный импульс излучения лампы накаливания можно считать δ-импульсом излучения, который в импульсном способе измерения является оптимальным. Однако в связи с тем, что передний фронт импульса может быть достаточно растянутым, а измерение желательно производить в момент максимального значения импульса напряжения в фотоприемном устройстве, необходимо этот момент достаточно точно фиксировать. Так как в интегрирующем фотоприемном устройстве происходит затягивание импульса излучения фотоприемным устройством и максимальное значение будет позднее момента достижения максимума импульсом излучения, то в этом случае предлагается для увеличения точности фиксации момента измерения синхронизировать момент измерения с моментом выключения лампы накаливания. Эта функция в фотометрическом приборе может выполняться тем же микропроцессорным устройством. Предлагаемое решение обеспечивает хорошую долговечность лампы накаливания и позволяет получить все преимущества импульсного режима работы фотометра, а именно: экономию энергии источника питания, уменьшение влияния внешних засветок, возможность автоматического поддержания "нуля" прибора, улучшения отношения сигнала к шуму за счет сужения полосы пропускания усилителей в приемных каналах и применения фильтров.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения по предлагаемому способу. Помимо указанного выше накладного фотометра, в котором применен предлагаемый способ измерения, этот способ использовался также в накладном фотометре диффузного и смешанного отражения для ИК-области спектра от 1 до 3,5 мкм с пироэлектрическим приемным устройством. Обычно для пироэлектрического приемника излучения требуется модулятор излучения; в данном случае, так как лампа работает в импульсном режиме, модулятор не требуется. В приборе использован микропроцессор 580 серии, который помимо выполнения указанных выше функций управления производит еще расчеты измеряемых величин. Только благодаря применению предлагаемого способа измерения удалось получить в приборе требуемую чувствительность при измерении диффузно отражающих образцов.

Литература 1. Импульсный метод измерения фотометрических параметров тел./ А.А. Волькенштейн, А.В. Кислов, Э.В. Кувалдин, В.Н. Корнилов, О.М. Михайлов - в кн. Импульсная фотометрия. Л. 1975, вып. 4, с.54-59.

2. А. А. Волькенштейн, Э.В. Кувалдин. Фотоэлектрическая импульсная фотометрия. Л. "Машиностроение", 1975 г. 192 с.

3. Кувалдин Э. В. Чувствительность фотоэлектрических фотометров с источниками импульсного и непрерывного излучения. ОМП, 7, 1971 г., с.66 и 67.

4. Рефлектометр солнечного излучения "Альфа". СКБ "Химавтоматика" г. Чирчик.

5. Reflectometre Portable EL 510. Рекламный проспект фирмы Elan informatique, Франция.

6. И.Г. Гилевич, Э.В. Кувалдин, С.Н. Цветкова. Новый фотометр для определения коэффициента поглощения солнечного излучения. Ж. "Химия высоких энергий" 1, т. 29, 1995 г., с.53-55.

Формула изобретения

Способ измерения фотометрических характеристик материалов, включающий облучение исследуемого объекта импульсным источником излучения и измерение отраженного, рассеянного или прошедшего через объект измерения излучения приемником излучения с постоянной времени интегрирования, большей длительности измеряемого импульса излучения, при этом импульсное излучение создают включением и последующим выключением лампы накаливания, отличающийся тем, что момент измерения импульсного сигнала приемником излучения синхронизируют с моментом выключения лампы.