автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронные приборы для измерения фотометрических величин

На правах рукописи

Томский Константин Абрамович

ОПТИКО - ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 05.11. 07 оптические и оптико - электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт — Петербург

2004 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете информационных технологии, механики и оптики

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор

Панков Э.Д.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук Доктор технических наук Доктор технических наук

Конопелько Л.А. Бегунов А.А. Столяревская Р.П.

Ведущее предприятие: ВНИСИ г. Москва

Защита состоится 5 октября 2004 г. в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 227.212.01 при Санкт-Петербургском Государственном Университете информационных технологам, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д.14.

Автореферат разослан 04 сентября 2004 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату просим направлять по адресу: 197101, Санкт-Петербургский Государственный Университет информационных технологий, механики и оптики, ул. Саблинская, д.14, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность цели работы

На всей территории нашей страны имеется большая потребность в рабочих фотометрических приборах самого различного назначения. В первую очередь это приборы для измерения собственно фотометрических величин — световых (освещенности, яркости, светимости) энергетических, в ультрафиолетовой (УФ) и инфракрасной (ПК) областях спектра.

Велика потребность отечественной промышленности в фотометрах технологического назначения — колориметрах, нульеметрах, измерителях дозы и УФ излучении, в измерителях глянца, оптической плотности н т. п. В результате проведенных маркетинговых исследований, научный раздел которых изложен в приложении 1, составлена ориентировочная оценка рынка отечественных фотометров различного назначения (таб. 1).

Таб. 1. Прогноз потребности в фотометрах различного назначения, шт._

Область деятельности Люксметры, УФ-радио- Колоримет-

яркомеры, метры, ИК- ры, денси-

пульсметры фотометры тометры

Машиностроение 45000 5000 3000

Санитарный надзор, медицина 25000 10000 1000

Музеи, библиотеки, кинотеат- 20000 10000 5000

ры

Химическая промышленность 20000 5000 5000

Полиграфическая промыш- 5000 3000 10000

ленность

Пищевая промышленность 15000 8000 3000

Электротехническая промыш- 10000 2000 1500

ленность

Образование 20000 1000 1000

Всего 160000 44000 29500

Важным применением рабочих фотометров в народном хозяйстве является аттестация рабочих мест, экология и охрана жизнедеятельности людей. В Российской Федерации защита здоровья человека обеспечивается комплексом Законов и нормативных актов.

Еще одним направлением применения фотометров стали различные техно -логические процессы, в которых основным выходом является контроль качества продукции. У нас в стране выпускается 680 миллионов различных наименований продукции. И в 10-15% из них технический контроль качества может проводиться оптическим и методами.

С научно-методической стороны актуальность выбранного направления работы состояла в поиске новых решении, которые позволили бы успешно действовать в условиях конкуренции. Суммируя актуальность тактических проблем, итоговая стратегическая актуальность диссертации основана на:

- востребованности измерительной фотометрической техники в самых пазлич-пых отраслях народного хозяйства;

- высоком уровне отечественной оптический промышленности, в особенности при выполнении разовых общегосударственных программ; ориентировании создания производства рабочих фотометров широкого назначения на отечественные разработки, на 01 ечествеиное программное_н метроло-

гнческос обеспечение.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ { БИБЛИОТЕКА I СПетер ОЭ *»'

жМ

Таким образом, к началу работы сложилась ситуация, при которой фотометры современного поколения требовались практически во всех отраслях деятельности по всей стране, создание их стало актуальной задачей.

Цель работы и постановка задачи

Основной целью данной работы является обеспечение потребности народного хозяйства страны в фотометрических измерениях, разработка и изготовление фотометров различного назначения на базе созданного автором научно-технического предприятия «ТКА». Приборы предназначены для оснащения технологических участков различных отраслей промышленности, для контроля безопасности жизнедеятельности, для использования на складах, в музеях, библиотеках, для научных исследований, для обучения специалистов.

Поставленная таким образом общая цель работы предусматривает проработку более конкретных вопросов, без решения которых задача в целом не может быть решена. В первую очередь это выбор стратегии и тактики создания оптико-электронных приборов современного поколения от обшей структуры схем измерительных приборов до использования соответствующей элементной базы. При этом следует учитывать, что эти проблемы требуют совершенствования способов решения, так как изменяется спрос, совершенствуется элементная база, расширяются возможности совместного использования фотометрических приборов с другой мерительной техникой, с современными микропроцессорами, с ЭВМ и т.п.

Еще одним блоком проблем, которые необходимо было решить в рамках данной работы, являлось создание метрологического обеспечения фотометрических приборов серии «ТКА».

К ним относится создание стендов для градуировки приборов, методик поверки, проведения испытаний в Госстандарте РФ с целью утверждения тина, разработка новых методов метрологического обеспечения как по децентрализованной схеме с использованием стандартных образцов и стандартных справочных данных, так и по централизованной схеме с привязкой к первичным эталонам РФ и организацией возможности поверки и калибровки измерительной техники на специально созданной эталонной базе. Для реализации последнего был создан и аттестован Госстандартом калибровочный центр НТН«ТКА».

Методы исследования

В работе использовались методы фотометрии и радиометрии оптического излучения. В основу созданных приборов положены принципы светотехнических измерений, основы колориметрии, а также методы атомно-абсорбционнон спектроскопии вакуумного ультрафиолета. Показатели качества приборов и их метрологические характеристики обеспечивались централизованной системой передачи размеров единых фотометрических величин от эталонов к рабочим средствам измерения. В ряде случаев использовались методы децентрализованного метрологического обеспечения — по стандартным образцам и стандартным справочным данным.

Существенные новые отличия разработанных в рамках данной программы приборов коснулись метрологического обеспечения. Это относится к созданию градунровочных стендов, и разработке оригинальных методов калибровки, к использованию стандартных справочных данных в метрологическом обеспечении разработанных приборов.

В таблице 2 показаны направления научных исследований, являющиеся основным содержанием работы. Условно выделено 4 направления:

Таб.2. Основные направления и научные рсаработки. выполненные в диссертации

Исследования, обеспечивающие palработку конкретных типов фотометров

-апалю международных, общероссийских и отраслевых нормативных докуме игов, регламентирующих уровни освещенности или требования К1П-мерительным приборам; -исследования и аналю характеристик н параметров выпускаемых промышленностью приборов и ком пле ктующих; -исследования изменений свойств материалов при воздействии оптического излучения и выбор отно-сигельной УФ эффективности; -обоснование методов измерения колориметрических величин; -маркетинговые исследования перспектив развития рынков фотометрических прнбо-_

Разработка методов н средств для ме грологичес кого обеспечения измерений

-создание методов фотометрии и радиометрии, обеспечивающих калибровку рабочих средств измерения;

-разработка специальных И у НИ' ве реальных уста* новок для выпол* нения калибровочных работ в условиях серийного производства; -разработка и аттестация рабочих эталонов; -сертификация разработанных средств тмерения (СИ), включая, раз работку программы испытания, методики поверки и описания типа СИ.

Теоретическое обоснование и схемы построения фотометров нового поколения, в т.ч.:

-измерители фотометрических величин (люксметры, яркомеры, УФ-радиометры); -приборный ряд измерителей УФ излучения индивидуального пользования; -фотометры технологического назначения (нульс-метры, колориметры, измерители цветовой температуры, денситометры); -специальные ВУФ-фотометры для измерения не-оигических параметров (оптический ВУФ-гнгромстрХ

Исследование основных характеристик компонентов фотометрических устройств, в т.ч.:

-анализ разброса параметров спектральных характеристик фотоприемных устройств (ФПУ); -разработка алгоритма для индивидуального полбора элементов коррекции; -поэлементный анализ основных функциональных блоков;

-обоснование выбора и расчет элементов ФПУ, ответственных за приведение пространственной характеристики к расчетной; -исследование характеристик оптического датчика влажности на длине волны и.

Новизна работы СОСТОИТ в следующем:

впервые в нашей стране налажен серийный выпуск рабочих фотометрических приборов нового поколения для широкого использования в различных отраслях народного хозяйства,

налажено производство фотометров назначениядля измере-ния координат

цвета, цветности, лоска, белизны и плотности ,реализован принципиально новый подход в измерениях влажности газов попоглощению излучения водородной лампы в вакуум ном ультрафиолете,

создан комплекс методов и средств калибровки фотометрических приборов, что позволило метрологически обеспечить все типы фотометров, которые были разработаны в процессе работы,

создана приборостроительная фирма «ТКЛ», которая изютавливаст широкий набор фоюметрической аппаратуры, а также выполняет научно-исследовательские работы по фотометрическому профилю.

Практическая значимость работы определяется в основном успехами тех отраслей народного хозяйства, в которых используются наши приборы. Среди огромного количества задач, решаемых с использованием фотометров, следует особенно выделить те, в которых они нашли наибольшее применение: 1. В здравоохранении для измерения доз видимого и ультрафиолетового излучения, в измерениях освещенности, яркости, создаваемых источниками света, промышленности для контроля освещенности и облученности по условиям труда и техники безопасности.

1. В светотехнике широко используются фотометры «ТКЛ» при измерениях силы света, цветовой температуры и координат цветности источников излучения, при измерении чувствительности фотоприем инков, в измерении пропускания светофильтров и коэффициентов отражения непрозрачных объектов.

2. Для контроля уровня освещенности на объектах транспорта и связи.

3. В кино и на телевидении для измерения светимости, освещенности, яркости качества цветопередачи на экранах.

4. При контроле качества мониторов при изготовлении и аттестации уровня изготовления оргтехника

5. В библиотеках и в музеях для измерения уровня освещенности и УФ облученности, определяющих световой режим при экспозициях н при хранении.

6. В технологических измерениях цвета, белизны, лоска, оптической плотности при кокгроле качества выполнения технологических процессов в полиграфической, текстильной, лакокрасочной, обувной промышленности.

7. При аттестации рабочих мест и проверки выполнения требований норм санитарного и экологического контроля в рабочих помещениях.

8. В научных исследованиях при необходимости измерять уровень освещения, а также контролировать качество цветопередачи, лоск, белизну, оптическую плотность.

9. При измерение характеристик влажности в тех случаях, когда необходимо работать в масштабе реального времени при сохранении высокой точности измерений.

10. В качестве образцового средства (рабочего эталона) второго разряда при передаче размера фотометрических единиц в соответствии с Государственной поверочной схемой.

Кроме перечисленных направлений имело место практическое использование фотометров «ТКЛ» при решении частных фотометрических и светотехнических задач. Всего в народное хозяйство РФ направлено более 7000 рабочих средств измерения фотометрических величин, 500 приборов технологического назначения и сотни приборов, изготовленных по отдельным заказам.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Но результатам выполненной диссертационной работы народное хозяйство оснащено набором современных средств измерений параметров оптического излучения в видимой и ближней УФ области спектра.

2. Схемы и принципы построения многоканальных фотометров нового поколения.

3. Методики формирования основных характеристикфогонриемных устройств.

4. Алгоритмы для расчета параметров и компьютерной обработки результатов измерений фотометрических величин фотометрами широкого применения (люксметры, УФ-радиометры, яркомеры, пульеметры), фотометрами технологического назначения (колориметры, денситометры, блескомеры и т.п.), а также специальными и эталонным и фотометрами.

5. Методики измерения коррелированной цветовой температуры колориметрами интегрального типа, основанные на переходе из системы координат х,у в равно контрастную систему u,v.

6. Методики оценки воздействия УФ излучении на музейные художественные ценности при введении в качестве относительной ультрафиолетовой эффективности условного приемника, спектральная чувствительность которого соответствует табулированным значениям кривой Direct Pigmentation.

7. Концепция создания группы приборов индивидуальною пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

8. Принципы построения и основы создания микропроцессорных колориметров интегрального и спектрального типа, позволяющие выполнять измерения координат цветности широкого спектра источников излучения в соответствии с требованиям и отечественных и международных стандартов.

9. Теоретические основы и принципы построения фотометров-гигрометров как эталонов абсолютной влажности и методика их градуировки по физическим константам.

10. Метрологическое обеспечение разработки и выпу ска фотометров серии «ТКА» нового поколения.

Личный вклад автора

Автор лично является идеологом номенклатуры н состава создаваемых изделий, основным разработчиком большинства моделей фотометров «ТКА». Исследования эксплуатационных характеристик, разработка методов и средств метрологического обеспечения приборов в большинстве своем проводились под руководством автора. Реализация идеи использования методов спектроскопии вакуумного ультрафиолета в создании и презентации оптического гигрометра мгновенного действия проводились лично диссертантом. Автору принадлежит заслуга в модернизации учебного процесса по фотометрии и светотехнике в ВУЗах Санкт-Петербурга. Учебное пособие «Основы светотехника и монография «Светотехнические измерения» написаны в соавторстве и опубликованы под непосредственным руководством автора на всех этапах прохождения рукописи. Автором лично исследовано воздействие ультрафиолетового излучения на материальные объекты, разработаны методы и средства регистрации излучения в широком диапазоне длин волн. Под руководством автора созданы и исследованы приборы для мерня световых параметров источников оптического излучения. Лично автором выполнены маркетинговые исследования, методы определения необходимой комплектации и уровня сервисного обслуживания, приоритетность метрологического обеспечения каждого разработанного прибора. Получение 3-х авторских свидетельств и патентов является личной инициативой автора.

Личный вклад автора в решении поставленной задачи в целом и в её осново-пологающих разделах является определяющим.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: - Всероссийской конференции «Оптика, стекло, лазеры- 95», СНб, 1995г.;

Международном семинаре «Оптика, инновация - 96» 1996г. Лейпциге кан инновационная ярмарка ;

- Международной конференции «Физическая метрология» СПб, 1996 г.; Международная конференция «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях» СПб, 1996г.;

Четырех научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» Москва, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2004г.;

- Международных конференциях «Безопасность музеев», Новгород,1993 г., Москва, 1994 г. Киров, 1995 г.;

Международных Светотехнических конференциях Ленинград, 1993 г., Суздаль, 1995 г., Новгород 1997г., Вологда, 2000 г. Санкт-Петербург, 2003.; Всероссийском семинаре «Безопасность библиотек и библиотечных фондов» СПб, 1997г.;

- Международном конгрессе «Art & Chimie», Париж, 1998г.;

- Научной конференции по вопросам экспонирования и сохранения памятников культуры. Лейпциг, 2000 г.;

- Конгрессе МКО, Стамбул, 2001 г.;

- Всероссийских научно-технических семинарах «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и медицинской технике». 2000 г., 2002 г. Сочи;

- IV международном симпозиуме по измерению влажности, 2002 г., Тайбей, Тайвань.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 64 печатные работы, среди них монография «Светотехнические измерения» и учебные пособия «Оптические измерения» (раздел «Фотометрические измерения») и «Основы светотехники», 4 депонированных в Министерстве науки РФНИОКР. В материалах конгрессов, конференций и семинаров опубликовано 29 докладов, зарегистрировано 2 патента и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. По результатам проведения Госиспытаний в Госреестре средств измерения РФ зарегистрировано 7 типов фотометров.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 213 странице машинописного текста, содержит 70 рисунков, 19 таблиц и 136 наименований библиографического указателя. Приложения содержат документы о использовании результатов работы и научный раздел маркетинговых исследований.

В первой главе дается обоснование постановки работ в целом с точки зрения соответствия технических и метрологических характеристик фотометров, используемых в народном хозяйстве нуждам потребителей самого широкого профиля.

Во второй главе приведены теоретические обоснования, необходимые при разработке конкретных схем фотометров, изложены принципы создания фотометров и радиометров для измерения таких фотометрических величин как освещенность, яркость, УФ облученность, экспозиционная доза видимого и УФ излучения. Приведены методы и результаты исследований свойств материалов, на основании которых разработаны требования к базовой модели комбинированного фотометра.

В третьей главе дано обоснование принципов создания фотометров технологического назначения — измерителей белизны, лоска, координат цвета и цветности, измерителей пульсации излучения.

В четвертой главе подробно описаны теоретические основы создания оптического гигрометра на принципе измерения поглощения вакуумного ультрафиолетового излучения парами воды, представлены результаты проведенных исследо-

ваний, на основании которых созданы методы и средства для граднровкн приборов такою типа, а также разработан фотометр-гигрометр «ТКА-Л1К».

Пятая глава посвящена проблемам метрологическою обеспечения созданных в процессе выполнения работ приборов. Широкая гамма измерительных задач, для решения которых предназначены фотометры серии «ТКА», повлекла за собой использование в работе самых разнообразных подходов в метрологическом обеспечении, включая передачу размера единиц от государственных эталонов РФ, использование стандартных образцов и стандартных справочных данных, а также использование поэлементно-эквивалентного метода калибровки.

В шестой главе изложены результаты работы по созданию конкретных типов фотометров: люксметров, яркомеров, УФ-раднометров, пульеметров, колориметров. Приводятся их технические н метрологические характеристики. Дан перечень выпускаемых серийно приборов. Отдельное внимание в главе уделено проблемам оснащении фотометрами и методическими материалами учебных заведений, чья деятельность предусматривает профессиональное использование фотометров.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследований, раскрыты новизна и практическая ценность работы, приведены результаты реализации и апробации, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена проблемам создания нового поколения фотометрических приборов в Российской Федерации.

В начале главы сформулирована современная терминология фотометрических, втом числе световых, величин и единиц.

Приведены обзор и критический апализ фотометрических приборов и устройств, на основании которого определены наиболее перспективные классы н типы разрабатываемых приборов.

Рассмотрены рекомендованные Международной Комиссией по освещению (МКО) методы исследования метрологических характеристик световых величин, алгоритм и аппаратура для проведения испытаний фотоприемных устройств. Выполнен анализ динамического диапазона фотометров и погрешностей электронного измерительного канала.

Основными причинами, вызвавшими необходимость срочной смены целого поколения фотометрических приборов, по мнению автора, являются:

1. Расширение номенклатуры источников освещения, имеющих существенно различный спектр излучения.

2. Введение оценки погрешности спектральной коррекции по специально отобранным источникам.

3. Защита отечественного потребительского рынка от не аттестованных зарубежных приборов, не имеющих соответствующего метрологического обеспечения.

4. Необходимость повышения потребительских свойств измерительной техники в соответствии с требованиями потребителей, на уровне лучших мировых образцов.

5. Создание современных средств измерения, доступных российским потребителям по цене и не уступающих по метрологическим характеристикам лучшим зарубежным образцам.

6. Использование при разработке фотометров новой элементной базы, втом числе, микропроцессорной.

Б(Ц-Ю116

Погреииость

Длина волны, т

Рис I Относительная спектральная чувствительность люксметра 10-116 и относительное спектральноераспределение излучения пяти источников, по которым в соответствии с Публикацией МКО опредепяется погрешность коррекции

Главной проблемой следует считать то, что результаты измерений, полученные существовавшими отечественными приборами, существенно отличались от современных зарубежных фотометров новою поколения. На рисунке 1 на примере самого распространенного к началу работы люксметра 10-116 показано, что только погрешность коррекции освещенности, создаваемой источниками, отличными от лампы накаливания, составляет десятки процентов.

Самым существенным результатом, характеризующим современный научный и метрологический уровень разработчиков, является достижение рабочими средствами измерения 1-3% погрешности коррекции и 3-5% погрешности пространственной характеристики. В дальнейшем будет показано, что результаты представленной работы позволили не только достигнуть аналогичных показателей, но получить их в условиях серийного производства.

Вторая глава посвящена вопросам теоретического подхода к разработке принципов и схем построения приборов для измерения фотометрических величин. При разработке основных схем построения фотометров нового поколения ш начально был заложен модульный принцип, позволяющий отрабатывать новые научные методы, технические и метрологические решения на отдельных блоках и элементах, а затем использовать их в различных разработках, существенно ускоряя процесс создания новой техники Выделение каналов производилось в соответствии с поставле иным и задачам и измерений. В одном из приборов объединены каналы измерения освещенности и УФ облученности (рис.2), в другом — каналы освещенности и яркости, в третьем предусмотрена возможность раздельного измерения в трех поддиапазонах ультрафиолетовой области: УФ-А; УФ-В; УФ-С.

Рис.2. Схемамногоканшьного измерителя освещенности и УФоблученности

Другим основополагающим техническим решением было создание приборов по возможности без использования проецирующей оптики. В первой главе изложены основы такого полхода, а исследования макетов показали, что эту задачу можно решить, используя современные фотоприемники на внутреннем фотоэффекте. Анализ характеристик фотоприемников показал, что наиболее подходящими для использования в фотометрах являются фотодиоды. Для исследования были выбраны следующие широко используемые полупроводниковые фотодиоды рис.3: кремниевые фотодиоды, фотодиоды на основе аморфного кремния (Si:П),(GaP) фотодиоды с поверхностно-барьерным переходом ПКФИ (барьером Шоттки) и фотодиоды на основе карбида кремния ^Ю).

Рис.3. Типовые спектральныехарактеристики фотодиодов

Сравнительные характеристики приемников, наиболее перспективных для использования в разрабатываемых измерителях оптического излучения, приведены в таб.3

Таб 3 Характеристики фотодиодов

Тнп приборд, материал чувствительного слоя Фо ГОЧ\ВС 1-внтельная площалкя, мм В дх, мм Ф,.|, Вт \ 1«'° т. МКС 1„л А/В г 1 абортные размеры, мм

При Т= 20®С

ФД-2-1К, 01» 26-28 4001040 10" 10 10"* 0,6 010

ФД-263 Ь| 3»3 10 4001100 10" 0,01 10' 0,5

ФД Г рЗ 5. ЗжЗ 10-15 ~1<М5 3201100 3201100 10" 10" 10' 0,6 0^6— 53 \Т

ФД-Г |>6 $. «>6 10 2ж 10'

ПЬФД ИЗ СаР 3»3 5 200600 10 й 15 10'" 0,16 254нм-0,03 5,4

Натата1511 С1963 4.614,6 * 190544 1,1* 10" 30 10" 0.12 254нм-0,03 4,0

Так как фотоприемные устройства разрабатываемых приборов должны иметь строго заданные спектральные характеристики, отличные от спектральных характеристик, не пользуемых в них фотодиодов, то необходима их дальнейшая коррекция с помощью цветных оптических стекол. В связи с этим определялся разброс спектральных характеристик выбранных фотодиодов в паршях 100-200 нгг.

Анализ исследования разброса спектральных характеристик фототолов пока «ал, что наименьшим разбросом (не бочее 20%) обладают ФД-Гр(Ы) и ПКФД GaP(pitc.4,5).

При исследовании ПФБД GaP-фогодподов различных партий, в некоторых из них была обнаружена спектральная чувствительность в области спектра до 900 нм, появление которой, по-видимому, с проявлением мелких подуровней на границе р-п ncpexoia, определяемых технологией пассивирования поверхностного слоя GaP и чистотой ИОХОШО! о материала.

Результаты исследования показали, чго полученный разброс позвотоет опт им тировать спектральную коррекцию фотоприемников в производственных условиях, чго значительно сокращает трудоемкость и затраты при изготовлении корригирующих фильтров.

Дополнительные- исследовании разброса монохроматической чувствительности НБФД на основе ваР прово-днлось дли 3-х Групп по 100 шт. в каждой. На основе полученных усредненных характеристик (рис.6) появилась возможность ентигь разброс спектральной чувствительности внутри выбранных групп, что необходимо для подбора корригирующих фильтров в условиях серийного

производства.

Для того чтобы обеспечить соответствие спектральной чувствительности люксметров и яркомеров функции видности глаза человека У(Х), необходимо относительную спектральную чувствительность фотоприемника корригировать соответствующими светофнльтрами. Та же проблема имеет место при создании УФ-раднометров. Здесь для спектральных интервалов УФ-А; УФ-В; и УФ-С необходимо было обеспечить относительную спектральную чувствительность, изображенную на рис. 7.

г о т т но но по но !1о но по но но >ю и» т но ш но по т лоо «о «я

длина волны,им

Рис. 7. Относительные спектральные чувствительноститипичныхтрехзонных УФ-радиометров

Расчеты показали и экспериментальные исследования подтвердили, что оптимальные результаты могли быть получены при использовании фотоприем ников из фосфида галлия, кремниевых фотодиодов ФД-263 и ФД-Гр. Корригирующие фильтры подбирались ш цветных стекол СЗС-21, СЗС-22, СЗС-23, ЖС-20, ЖС-5, ЖС-6, ОС-5. Выбор марки стекол, их толщин и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего фильтра осуществлялся таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие:

где т (X) - спектральный коэффициент пропускания фильтра, 8 (X.)—относи-тельное спектральное распределение чувствительности приемника, -функ-

ция вил пост и.

Подбор параметров фильтров осуществлялся расчетом на компьютере, по программе мнннмтацни погрешности коррекции /цф которая выражается следующим образом:

Расчет погрешности по формуле (2) производился на компьютере по следующему алгоритму (рис.8):

Постоянная база данных

У(Х), <р. (X), ф! (Х),8о0 (X)

<р,(Х) в..

В веление в оперативную память показаний прибора

М(3р,я.. (X)

в, (X) = е.. (X) 1Ч(Х) N.

_

Ч>.(Х) ЭТ(Х)

У(Х), (X)

8. (X) «р, (X)

' Расчет /||,| для пяти источников света по формуле 2

Рис.8. Алгоритм расчета на ЭВМ погрешности коррекции люксметра

На схеме обозначены следующие функцни: У(Х)-функц|1Я в ид ноет н; <р, (X)- относительное спектральное распределение мощности источника излучения; <р, (X) — относительное спектральное распределение пяти отобранных источников света; 5(Х)- относительная спектральная чувствительность образцового фотометра; Г"1(Х)- относительные спектральные показания исследуемого прибора; (X)- относительные спектральные показания образцового прибора.

Подобранные по минимальной погрешности отклонения относительной спектральной чувствительности пары фотоприемник — светофильтр от стандартной функции видности дли диапазона длин волн 380-760 ни нот стаячартных зависимостей спектральной чувствительности для УФ диапазона устанавливались в оптическую головку прибора, в которой кроме фильтров и фотоприемника располагался усилитель, позволяющий преобразовать сигнал в цифровую форму и вывести его на индикатор.

Исследования параметров выпускаемых промышленностью элементов ФПУ и анализ результирующего разброса относительной спектральной чувствительности ФПУ позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день необходим индивидуальный подбор элементов коррекции. Анализ мирового уровня производимых фотометров, приведенный в Главе 1, подтверждает, что и зарубежные производители получают удовлетворительные результаты только при индивидуальном подборе элементов.

Примененные методы и средства расчета сквозных характеристик фотоприемных устройств позволили обеспечить создание накладных ярком еров, а также дистанционных яркомеровс лазерным наведением на измеряемый источника све-

та

Построение измерителей яркости — одного из самых востребованных видов измерений, представлено в двух вариантах на рисунках 9,10 и 11.

Рис 11 Зависимость диаметра площадки фотометрирования отрасстояния для ки-нопроекционногояркомера

Безопасный уровень УФ облучения воздействующей солнечной радиации определяется индивидуально для каждого человека, с учетом свойственной ему чувствительности и в зависимости от интенсивности и спектрального состава излучения. При создании серии многоуровневых УФ индикаторов, были проанализированы данные по солнечной радиации для различных климатических зон, времени года и суток, а также рекомендуемое медициной определение типов кожи человека. Установлено, что воздействующая на человека энергия УФ излучения может быть оценена с достаточной степенью достоверности способом индикации уровня воздействия. Результат измерения может быть представлен в виде индикации уровней соответствующих установленных величин. Па рисунке 12 представлена базовая функциональная схема прибора, из которой получаются различные более простые модификации: аналоговый 4-х уровне вый индикатор, цифровой УФ-дознметр, индикаторе возможностью введения данных и другие.

Рис. 12. Функциональная схема микропроцессорного индикаторного устройства 1 — Фотоприем ник; 2 — Предварительный усилитель; 3 — Фильтр; 4 —Усилитель; 5 — Схема форм ирования опорного напряжения; 6 —Микроконтроллер; 7 —блок выбора и индикации чувствительности кожи -

Для определения схемы построения большинства типов приборов приходилось выполнять дополнительные исследования, без которых ценность результатов измерения существенно снижалась. Технические требования к комбинированному измерителю оптического излучения для музеев были окончательно сформулированы только после проведения исследования изменении происходящих в музейных экспонатах под действием освещения. Впервые в мировой практике предложены конкретные рекомендации по ограничению облученности в УФ-д на паз о не для целого ряда основных материалов музейных и библиотечных экспонатов. Эта работа особенно актуальна в нашей стране, так как музеи у нас располагаются, как правило, не в специально построенных зданиях, а в приспособленных помещениях. Средств на эффективную защиту от УФ облучения, например, применяя специальную защитную пленку, у музеев нет.

Для повышения точности оценки воздействия измеренной величины УФ облученности с учетом спектра излучения применяемого музеиною освещения и актиничности материалов экспонатов, в качестве относ отельной ультрафиолетовой эффективности предложен условный приемник, спектральная чувствительность U(X) которого соответствует табулированным значениям кривой Direct Pigmentation. В данном способе показания отсчетного устройства получены в эффективных значениях УФ облученности и для получения абсолютных значений ультрафиолетовой энергетической освещенности их необходимо разделить на значение относительной спектральной УФэффектнвности Direct Pigmentation.

E,6t = E/ ÎU(X)dX. (4)

В итоге главы сформулированы основные принципы построения и определена элементная база фотометров для измерения основных фотометрических величин: освещенности, яркости и УФ облученности.

Третья глава диссертации посвящена разработке принципов построения схем и их исследованиям при создании фотометров технологического назанчения. Под этим подразумеваются приборы контроля качества выполнения различных технологических процессов, в которых необходимо измерять величины, определяемые значениями световых потоков. Конкретно речь идет об измеригелях координат цвета и цветности (колориметрах), измеригелях белизны, лоска, измерителен пульсации

интенсивности оптического излучения, о приборах для измерения оптической плотности. Эти приборы расечнганы на конкретного потребителя, и поэтому их необходимое количество не так велико, как фотометров, предназначенных дли измерения освещенности, УФ облученности н яркости.

Создание и исследование ш мерите лей координат цвета и цветности оказались наиболее сложными в перечисленных фотометрах. В соответствии со стандартными характеристиками удельных координат необходимо было выделить четыре поддиапазона длин волн с относительной чувствительностью дациям МКО 1931 г. и00 поддиапазона необходимы ния координат -Х1-420-500»

Для опред ле|

было 1.00 р под-

700 им.

необходимо диапазон 450-680 им,для координаты Z — 380-540 мм.

рекомен-г. Два определе-—515-

оординат

у

400 Я»

цвета, измерянные

на рис. 13,

использованием

Координаты ме, изображенной

шем с

ра, встроенного в

пересчитаны в

координат, например, в Ь а в. В

пользователей, было аттестовать

источников света, в

и экранов телевизоров

«ТКА» предусмотрено измерение коррелированной цветовой температуры.

пи Х.М

по схе-

фотометр, любую Я в соответст которым

ха том

Рис. 13. Кривые сложения щетов системе XYZ

Под этим подразумевается измерение температуры абсолютно черного тела рнс. 14, по цветности наиболее близкого к излучению источника света. Координаты цветности абсолютно черного тела для различных температур записываются в память микропроцессора, встроенного в колориметр.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Рис. N. Координаты цветности А ЧТв системех,у

Координаты цветности линии ЧТ в системе х, у МКО 1931 г. переводились в систему и, V МКО 1964 г. по формулам:

и=4х/(-2х+12у+3) у=6у/(-2х+12у+3)

(5),

(6)

Координаты цветности исследуемого источника света V сравнивались с таблицей и, V, и вычислялся минимум отклонения величин

Рис.15. Координаты цветностиАЧТв системеu,v

Для реализации этих возможностей разработан алгоритм измерения (рнс.16), сущность которого состояла в пересчете координат х у (рис.15) в равно-контрастную систему и V (рнс.16).

Рис 16 Алгоритм определения коррелированной цветовой температуры

Излучение газоразрядных ламп и ламп накаливания при питании от сети переменного тока является пульсирующим. Для оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени световою потока ис-

точников излучения при питании их переменным током введен коэффициент пульсации освещенности К,, определяемый выражением:

кп = хюо% (8)

где: Емакс. и Е»„к — максимальное и минимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Е. - среднее значение освещенное и (рис. 1). В результате проведенных исследований были определены период и частота выборки измерений освещенности, обеспечивающих достоверную оценку пульсации.

Рис17. Методизмерениякоэффициентапульсации источников изпучения

Четвертая глава диссертации посвящена фотометрическому методу измерения влажности атмосферного воздуха. Отличие этой части диссертационной работы, прежде всего в том, что она полностью— от постановки задачи до изготовления опытной партии оптических гигрометров — носит нетрадиционный характер. В приборостроительной практике нет аналогов подобного подхода в реализации методов абсорбционной спектрофотометрии при создании влагомеров. Сущность разработки состоит в том, что предлагается использовать для измерения влажности воздуха метод поглощения вакуумного ультрафиолета парами воды на длине волны резонансной линии водорода Le 121,6 им.

Такая возможность связана с тем, что пары воды на этой длине волны имеют коэффициент поглощения более 200 см \ в то время как у кислорода, являющегося основным поглощающим компонентом воздуха в диапазоне длин волн от 200 до 110 им коэффициент поглощения равен 0,5 см'1. Основной созданного оптического гигрометра являлось предположение, что использование водородной резонансной лампы с окном из фтористого магния позволит создать датчик влажности на поглощении Ц1 излучения, поскольку основной вклад в поглощение будут вносить пары воды.

Фотометрический метод определения абсолютой влажности ютов основан на прннциж 1101 лощения коротковолнового улырафиолетовото излучения в полосе паров воды на длине 121,6 им. Используется водородная резонансная лампа и солнечно-слепой приемник.

Измерение числа ноиющающих частиц HOIBOJIHCI легко определить массовую концентрацию (в гигрометрин это абсолютная влажность), умножив число частиц N на массу одной молекулы mo = M/N, где М - молярный вес и N, носго-янная Авогадро. Таким образом абсолютная влажность выразится как:

Л,= •10'/(Na»6x*l)|xln(Io/li )) i/mJ (9)

Это выражение является основным уравнением в оптических фотометрических измерениях влажности по поглощению электромагнитной энергии.

При градуировке оптического пирометра юмеряегся сигнал с датчика при продувке сю объема сухам воздухом. Затем подается вогдух с швестным содержанием паров воды. Регистрируется сигнал, соответствующий этой концентрации 1х. Зависимость доли поглощенной энергии ог концентрации определяется законом поглощения Ламберта — Бугера —Бера.

$десь ак - показатель поглощения паров воды на длине волны 121,6 им, N-концентрацня молекул волы, I — расстояние от окна лампы до окна фотоприем инка. Поскольку бхи I в условиях измерения остаются постоянными, должно выполняется равенство:

т.е. измеряемая концентрация должна изменяться линейно с изменением оптической плотности измеряемой пробы.

Исследования оптического гшрометра проводились путем сличения его показаний с показаниями эталонного гигрометра «Vaissala Oy» с эталона единицы молярной доли концентрации компонентов в газах В НИ ИМ им. Д. И. Менделеева. Результаты сличения дали положительные результаты. В диссертации приведены соответствующие градуировочные графики.

В оптический гигрометр«ТКА-МК» встроен микропроцессор, который позволяет выражать влажность в процентах и температуру точки росы в градусах Кельвина. Для обеспечения таких измерений в память микропроцессора введены данные об упругости насыщенных паров воды, а сам прибор оснащен датчиком температуры.

Результаты исследований оптического гигрометра позволили установить, что такой прибор имеет ряд ценных преимуществ перед другими гигрометрами. В первую очередь, это линейность шкалы. Во вторую очередь, оптический гигрометр является прибором мгновеиного действия, что позволяет использовать его при измерении влажности воздушных и газовых потоков. И кроме того, значительно упрощается процедура градуировки и калибровки прибора.

Погрешность измерений абсолютной влажности оптическим гигрометром после тщательной градуировки практически равна noгрепиюсти того гигрометра или генератора влажного газа, по которому проводится градунровка.

В диссертации приведены более подробно результаты исследований оптическою гигрометра, рассмотрены преимущества н недостатки, шпволяюшне реально оценить возможные сферы ею применения

Пятая глава диссертации посвящена проблемам метрологического обеспсче-пия фотометров серии «ТКЛ». Следует отметить, чго все фотометры серии «ТКЛ», прел натаянные для тмерсння величин в узаконенных единицах, проходили го-с>дарс1 венные испытания. 'Это от на час г, чю для всех приборов разрабатывались про1рачмы испытаний и методики поверки. Все и-з мерительные приборы «ТКЛ» включены в Госреестр средств измерений РФ. На фирме «ТКЛ» создан и аккредитован ортанамн Госстандарта калибровочный центр, где полыователь может осуществить ремонт и провести калибровку любой модели нашего прибора. В ряде случаев пришлось заниматься разработкой методов и средств метроло ическо-ю обеспечения созданной измерительной техника Для ряда задач параллельно с разработкой конструкции измерительною прибора пришлось создавать градун-ровочные стенды и калибровочные установки. Но их ш готовлен и и, средства метрологическою обеспечения приборов «ТКЛ» предъявлялись opianaM Госстандарта для жепертизын получения необходимых сертификатов.

Метрологическое обеспечение фотометров для измерения освещенности и яркости проводилось в соответствии с ГОСТ 8.023.03 для эталонов 2 разряда. Это означает, что калибровочный стенд был оснащен фотометрическимн лампами и образцовыми фотометрами, аттестованными во ВНИИОФИ на Государственном первичном эталоне. Основным метолом при обслуживании рабочих приборов был детекторный метод, т.е. калибруемый прибор устанавливался на место эталонно! о фотоприем инка. Периодически проводился контроль стабильности показаний калибровочного стенда по освещенности от эталонных ламп.

Метрологическое обеспечение фотометров технологическою назначения отличается от централизованной системы метроло! нческого обеспечения, принятой у нас в стране для средств измерения световых потоков, освещенности и яркости. Для тмерсння коордшт цвета мы руководствовались требованиями ГОСТ 8.205.90, которые рекомендуют калибровать колориметры по стандартным обра)* цам цвета и белизны. В качестве таковых использовался атлас цветов ВНПИМ им. Д.И. Менделеева, а также стандартные образцы серых стекол ОНС и цветных стекол.

Измерения бел юны метрологически обеспечивались в соответствии с ГОСТ 7690.66, измерения лоска но ГОСТ12921-67. Согласно этим стандартам необходимо выполнить требования К1еометрни лучей при измерении и к спектральному составу излучения. Указанные стандарты не требуют эталонов высокою уровня точности и калибровочные стенды аттестуются поэлементно-эквивалентным методом, т.е. аналюируегся уровень точности узлов кал но ровоч HOI осте Ж а раздельно для источника свега, фильтра, геометрических факторов и фотоприемника. Контроль достоверности результатов проводился по стандартным образцам с аттестованным и з качениям н белиз ны и лоска.

Для приборов, измеряющих пульсации освещенности, эталонов и стандартов до настоящего времени не создано. По этой причине в рамках данной работы нами было создано специальное калибровочное устройство (рис.19), позволяющее изменять коэффициент пульсации в необходимых пределах. Этот прибор представляет собой фотометрический шар, внутрь которого направляется от двух источников света 1 н 7 два световых пучка. Один из пучков модулируется через апертур-ную диафрагму 3 секторным диском 2. Второй пучок от источника 7 через апер-турную диафрагму 6 создает некоторый постоянный во времени световой поток. Устанавливая уровень сигнала в фотометрическом шаре при закрытом пучке от источника 1 (Emin) н при открытом пучке от 1 (Е) вычисляют коэффициент пульсации в шаре как:

4

®

в

2

1,7- Источники излучения (лампы накаливания), 2 -модулятор светового потока, 3 - апертурная диафрагма, 4 - фотометрическая головка исследуемого прибора, 8 - смеситель модулированного и непрерывного светового потоков (фотометрический шар) 6 - переменная диафрагма

Рис. 19. Прецизионный излучатель-калибратор измерителейпульсации излучения

Метрологические характеристики калибровочного устройства устанавливались на основании поэлементного анализа погрешностей вносимых источниками света, модулятором, регистрирующим устройством, фотометрическим шаром.

В результате гарантированной точностью, признанной органами Госстандарта для установки «ТКЛ» для калибровки пульеметров является точность в 3%.

Метрологическое обеспечение оптического гигрометра включало в себя сбор и анализ литературных данных по сечениям поглощения, проверку линейности шкалы, которая проводилась на генераторе влажного газа. Генератор влажного газа представляет собой установку, работающую по принципу двух расходов, т.е. путем смешивания осушенного воздуха с потоком воздуха, увлажненного до 90%. Контроль влажности полученной смеси осуществлялся эталоном «Уа1Б8а1а Оу». Результаты тщательного метрологического исследования показали, что в процессе эксплуатации для поверки оптического гигрометра надобность в использовании генератора влажного воздуха отпадает, т.к. для контроля правильности показания оптического гигрометра достаточно измерить положение одной точки на градуировочном графике. Такой точкой может быть сигнал при сухом воздухе, или при влажности какого-либо солевого гигростата, например, гигростата с насыщенным раствором хлористого натрия (КИ = 75,5%). Генератор влажного газа при метрологическом обслуживании оптического гигрометра необходим для точного определения константы в уравнении измерения.

В диссертации подробно изложена особенность конструкции и параметры стендов «ТКЛ» для градуировки и калибровки фотометров серии «ТКА».

Средства метрологического обеспечения приборов «ТКА» сосредоточены в калибровочном центре, в круг обязанностей которого входит создание и аттестация калибровочных установок, подготовка документов к госисныганиям, проведение ремонга, калибровки и поверки изготовленных нам и средств измерений. В шестой главе изложены основополагающие во всей деятельности фирмы «ТКА» результаты по созданию фотометров массового спроса: люксметров, УФ радиометров, яркомеров. Именно эти разработки позволили сформулировать основные принципы построения всей серии фотометров «ТКА», сформулировать научно обоснованные регламенты и технические требования к фотометрам, используе-

мым в различных областях народного хозяйства. Основным вопросом здесь был вопрос о возможности сочетания современного уровня исполнения — но точности -показаний, по надежности, но возможностям метрологического обеспечения, по дизайну-с допустимой для отечественного потребителя пеной. Первые приборы серии «ТКА», построенные на основании изложенных принципов были созданы в 1996 году. Они имели диапазон измерении освещенности в видимой области от 10 до 200 000 люкс и в УФ области от 10 до 200 000 мвт/ м с пределом основной относительной погрешности по освещенности не более 8%. Относительная спектральная чувствительность ТКА-01/3 представлена на рис. 20. Габариты прибора: блока обработки сигнала 160 х 85 х 30 мм, фотометрической головки 150 х 50 х 50 мм. Масса прибора составляла 380 г.

Рис.20. Б(Х) прибора ТКА-01/3 Рис 21. ЗД прибора ТКА-АВС

Для обеспечения измерений в соответствии с физиологическим воздействием УФ излучения на организм человека, в базовую модель был включен третий канал (рнс.21), а фильтры подбирались для обеспечения работоспособности в области длин волн 315 - 400 им (юна УФ-А), 280 - 315 нм (Зона УФ-В) и 280-200нм (Зона УФ-С). Погрешность измерений составляла 10%, 15%, 18%для зон А,В и С соответственно.

Для медицинских н гигиенических целей был создан индикатор УФ излучения «ТКА-4)2/2» для достоверного контроля уровня облучения в диапазоне длин волн 280-315 нм. Этот прибор создавался как индикатор опасного или безопасного уровня УФ излучения с учетом индивидуальной чувствительности кожи различных людей. На основе базовой модели разработана целая серия приборов с различным и дополнительным и функциям и.

Ярком еры серии «ТКА» создавались для измерения яркости экранов мониторов — «ТКА-04/3» и для измерения яркости киноэкранов «ТКА-ЯР». Яркость экранов мониторов измеряется накладным способом, т. е. светочувствительный элемент располагается на расстоянии 1—2 см. от экрана. Спектральная чувствительность фогопрнемного устройства прибора «ТКА-04/3» соответствовала кривой в ид ноет н У(Х) дневного аппарата зрения человека. Шкала прибора была отградуирована в единицах яркости (кд/м ).

Кинопроекционный яркомер «ТКА-ЯР» содержит нефокусируемый объектив, выделяющий телесный угол в 14-2° и лазерную указку, при помощи которой определялась зона фотометрирования. Погрешности измерения яркости фотометрами «ТКА» составляли не более 10%.

Первый в своем классе микропроцессорный пульеметрлюксметр, «ТКА-НУЛЬС» позволяет представлять результаты измерений в необходимой форме для вывода их на дисплей и на внешний персональный компьютер.

«ТКА-Пульс» измеряет коэффициент пульсации ог 0 до 100% при освещенности до 2- 10' лк с погрешностью ±3%.

Целенаправленная разработка метоюв и средств, обеспечивающих высокую точность шмерений, а также возрастающая потребность в отечественных аналогах зарубежных измерителях цветовых характеристик, привели к созданию ряда колориметрических приборов. Один из вариантов построения спектрального колориметра представлен рис.22.

Этот прибор отличается тем, что в нем реализовано разложение излучения, отраженного от образца, в спектр, а оптическая головка снабжена интегрирующей сферой. Информация о цветовых характеристиках объекта получается за счет выделения спектральных интервалов в20 нм во всем видимом диапазоне длин BOTH. Полнхроматор разлагает свет на спектральные составляющие и направляет их на ПЗС-линейку. Лучи света, вышедшие из световода проходя щель и отражаясь на зеркале, дифрагируют на вогнутой дифракционной решетке. Дифракционная решетка разлагает свет на спектральные составляющие. Каждая спектральная составляющая света поглощается светочувствительным элементом ПЗС-лнненки. Таким образом, спектр излучения укладывается на все светочувствительные элементы ПЗС липейки.

ПЗС - линейка управляется с микропроцессорной системой, с помощью которой происходит инициализация прибора, диагностика блока измерений, калибровка по эталону белого, измерения колориметрических характеристик образца и вычисление соответствующих характеристик.

Координаты XYZ и х у вычисляются по программе микропроцессором, встроенным в прибор. Колориметр позволяет измерять белизну, желтизну, вычисление

координат цвета и цветности, пересчёт координат цвета в пространствах (L а Ь) н {LUV}, вычисление цветовых различий, in мере ние спектрального коэффициента отражения документов на бумаге. Рис22 Конструктивное исполнение спектроколориметра ТКА-РНБ анной цветовой температуры, рассмотренного ранее, был создан новый в отечественном приборостроении колорн-метр интегрального типа ТКА-ИЦГ для измерения координат цветности источников излучения, коррелированной цветовой температуры и яркости протяженных самосветящихся источников.

Фотоприемное устройство ТКА-ИЦТ представляет собой преобразователь оптического излучения в электрический сигнал. Оно состоит из нескольких фото-прнсмннков, спектральная характеристика которых корригирована под решение заданной задачи. Для колориметра используются четыре фотоприемника, спектральные характеристики которых спомощью светофильтров неправлены под кривые сложения

Сигналы с ФПУ подаются на предварительный усилитель, где происходит одновременно с нленнсм сигналов н их масштабирование. Усиленные сигналы постоянного тока подаются на вхочы АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АЦП подаются в микропроцессор для дальнейшей обработки.

Программное обеспечение позволяет представлять результаты измерений в необходимой форме, а также выводить их на внешний дисплеи н произвотнть соединение с внешним персональным компьютером.

В качестве фотоприемников использовались, корригированные с помощью цветных фильтров, кремниевые фотодиоды, спектральные чувствительности которых соответствуют ординатам кривых сложения хф.), г^.), принятых МКО в 1931 г, а люксметра и яркомера — относительной спектральной световой эффективности ).

Непосредственное получение спектральной чувствительности пропорциональной х (X) весьма сложно из-за наличия двух максимумов спектральной чувствительности. Поэтому удобнее было разделить кривую х(Х) на две «одногорбые» — Х|(Х) и ХгР-), и корригировать фотодиод под каждую кривую отдельно.

В таблице 4 представлен перечень основных типов фотометров, созданных на основе научных исследований и разработок. Следует отметить, что к настоящему времени перечисленные приборы успешно эксплуатируются в 750 городах Российской Федерации и составляют основу парка современных фотометров. Широкая география потребителей, охватывающая практически все отрасли и области деятельности повысила требовательность к региональным органам системы Ростест и, как следствие, привела к повышению уровня метрологического обеспечения измерения фотометрических величин в Российской Федерации.

Таб. 4. Перечень основных типов приборов, выпускаемых серийно, на основе научных разработок, выполненных в представленной работе _

Л! п/п Наименование Сертификат об утверждении типа Тип прибора Назначение

1. Люксметр/ УФ-раднометр №13678 от 25.12.02 ТКЛ-01/3 Измерение освещенности и энергетической освещенности в диапазоне 280-400 им

2. Люкс- метр/яркомер №3109 от 29.12.97 ТКЛ-04/3 Измерение освещенности и яркости самосветящихся объектов

3. УФ-радиометр №8083 от 01.06.00 ТКА-ЛВС Измерение энергетической освещенности в трех спектральных диапазонах: УФ-А (320-400 им); УФ-В (280-320 им) и УФ-С (200-280 нм)

4. Люксметр №8429 от 02.08.00 ТКА-Люкс Измерение освещенности: единица младшего разряда 0,1 лк; общая относительная погрешность измерения не более 6%

5. Фотометр-Измеритель влажности оптический № 10790 от 24.09.01 ТКА-МК Измерение абсолютной и относительной влажности газов, определение «точки росы»

6. Генератор влажного газа №9874 от 14.04.01 ТКА-ГВЛ Калибровка оптического гигрометра ТКА-МК

7. 8. Приборный комплекс комбинированный для измерения параметров микроклимата Фотоэлектрический калориметр № 13872 от 27.01.03 ТКА-ПК ТКА-ИЦТ Измерение освещенности, яркости, УФ облученности, температуры и влажности V Измерение координат цветности и коррелированной цветовой температуры

9. Измеритель пульсации источников света №16289 от 20.11.03 ТКА-Пульс Измерение освещенности и пульсации источников излучения

Отдельное внимание в 6 главе уделено проблемам оснащения фотометрами широкого профиля образовательных учреждений. Основу этой части работы, направленной на расширение сферы практического использования аппаратурных разработок, является монография «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники». В этих книгах автором дано теоретическое обоснование всех приборных разработок, выполненных в рачках данной диссертации. „Приложение 1— состоит из маркетинговых исследований и рассмотрения перс пс кг ив развития производства, созданного в процессе работы В приложении 2 представлены сертификаты и описания типов приборов, включенных в Г ос реестр средств измерения РФ.

В приложении 3 представлены акты внедрения, результатов работы на различных предприятиях и в организациях.

Основные результаты работы

1. Разработаны конструкции и поставлены на производство рабочие приборы для измерения фотометрических величин: освещенности, яркости, УФ облученности и УФ экспозиции. 7 типов фотометров по результатам госиспытаний включены в Госреестр средств измерений РФ.

2. Разработана конструкция и поставлены на производство фотометры технологического назначения — приборы для измерения координат цвета и цветности, измерители цветовой температуры, измерители лоска, белизны, оптической плотности прозрачных и непрозрачных объектов, измерители пульсации источников излучения. Шмеритслн цвета изготовлены как для определения координат цвета самосветящихся объектов, так и для отражающих покрытий с учетом их освещения различными типами стандартных источников света (А, В, С,Э). Разработай метол определения коррелированной цветовой температуры, который не пользован в приборе «ТКЛ-ИЦТ», предназначенном для исследования и аттестации источников света.

3. Проведены исследования возможности создания фотометра в вакуумной ультрафиолетовой области для решения одной из важных измерительных задач — измерения влажности воздуха (газов). Введено в измерительную практику использование абсорбционной фотометрии ВУФ в анализе состава газов. Создан оптический гигрометр, позволяющий измерять влажность воздуха в газах и в газовых потоках в реальном масштабе времени с индикацией всех основных характеристик влажности: абсолютной влажности, относительной влажности, температуры точки росы.

4. Реализован комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное серийное производство оптических элеменгов и модулей с трсб)емой погрешностью измерении.

5. Создана группа приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

6. В фотометрах, в которых реалш>ется косвенные измерения — в колориметрах, измерителях белизны, пульеметрах, оптических гигрометрах, в схему включен микропроцессор, производящий отработку сигнала по заданной программе и осуществляет сопряжение прибора с внешним компьютером. Это позволило повысить класс прибора н расширить потенциальный круг потребителей.

7. Для ряда приборов созданы средства метрологическою обеспечения. Разрабо-

тан специальный калибра юр для градуировки измерителей пульсации оптического излучения «ТКЛ-Пульс». Разработан генератор влажного воздуха для исследования оптического гигрометра, созданы и аттестованы в установленном порядке стенды для град) про в ки всех типов фоюметров «ТКЛ».

8. Создано научно-техническое предприятие «ТКЛ», основной деятельностью которого является научно-технические разработки, направленные на поиск оптимальных вариантов схем фотометров и методов их метрологического обес-

печения. При фирме «ТКЛ» создан калибровочный центр, аккредитованный орланами Госстандарта. Э калибровочном центре разрабатывается научно-техническая документация, необходимая для выпуска приборов и для проведения государственных испытаний: технические условия, руководства по эксплуатации, методики поверки, описания типа для включения в Госреестр средств измерений, программы испытаний. Но желанию заказчиков калибровочный цент организует государственную поверку с выдачей свидетельства установленного образца.

9. Проведено несколько десятков поисковых научно-исследовательских работ по решению научных проблем, связанных с созданием рабочих фотометрических приборов. Все результаты внедрены в производство фотометров «ТКЛ».

10. Созданы аппаратно-методнческие комплексы для обеспечения преподавания основ фотометрии и светотехники в ВУЗах. Изготовлен комплект приборов для учебных лабораторий и разработаны методические материалы.

11. Написана книга «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники», содержание которых является теоретической основой диссертации. Рассмотрены основы фотометрии, основы теории теплового излучения, линейчатого излучения атомов и молекул. Кратко рассмотрены принципы создания современных источников света, приемников излучения и современных спектральных приборов, использование которых важно в спектрофото-метрни. Отдельное внимание уделено метрологическому обеспечению фотометрии.

12. Показано, что потребность народного хозяйства в рабочих фотометрах может быть удовлетворена отечественными разработками, соответствующими мировому уровню приборостроения. Это утверждение основано на результатах независимых экспертиз н сличений, презентации приборов «ТКЛ» на международных выставках, на симпозиумах и семинарах. Возможность осуществления калибровки, ремонта и поверки измерительной техники на территории РФ также способствует укреплению ПОЗИЦИЙ фирмы «ТКЛ» на отечественном рынке.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Козлов МГ Томский К.Л. Светотехнические измерения. - СПб.:11зд. СПбУ-

ТиД,2004.-307с.

2. Ишании Г.Г., Козлов М.ГМ Томский К.Л. Основы светотехники. Учебное посо-

бие- СПб.-.Изд. «Береста», 2004. -290 с.

3. Кузьмин В.Н., Томский К.Л. Пути решения проблемы измерения УФ-

шлучения при облучении овощей в условиях закрытого грунта: Тез. докл. Международная конференция «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях». - СПб.: 1996. -173 с.

4. Иванов Ю.П., Михайлов. О.М., Томский КЛ. Исследование воздействия опти-

ческого излучения ультрафиолетового (УФ) и видимого диапазонов на свойства материалов музейных и библиотечных фондов. ННР-ТКС-95/21 Министерство культуры РФ, 1996. - 55 с.

5. Кузьмин В.П., Томский К.Л. Исследование и а нал ш воздействия оптического

1П лучения на материалы музейных и библиотечных фондов: Материалы всероссийского семинара «Проблемы безопасности библиотек и библиотечных фондов». СПб.: Изд. РИБ, 1997 - с.127.

6. Иванов Ю.П., Томский К.Л. Рекомендации по нормированию освещенности в

музеях и библиотеках. - М.: Управление музеев Министерства культуры РФ, 1997.-14 с.

7. Барбар ЮЛ., Кузьмин. В.Н., Томский КЛ. STABILITE DES MATERIAUX SOUS L1NLUENCE DE LA LUMIERE: NORMES, APPAREILS DE CONTROLE: Сборник трудов конгресса Art&Chimie. -Париж, 1998. -c.249

8. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Исследование и оценка воздействия

оптического излучения на музейные материалы, методы и средства измерения: Тезисы докладов XII научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» -М.:ВНИИОФИ, 1999. -с.47

9. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для тмерения УФ излучения: Тезисы

докладов XI научно-технической конференции «Фотометрия и ее метроло! иче-ское обеспечение»-М.:ВШШОФИ, 1999-с.б

10. Томский КЛ. Комплексные исследования и создание измерителей видимого и

ультрафиолетового излучения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук-СПб.: ИТМО, 1999. — 24с.

11. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест/ЛТроблемы информатизации. - 1999. - вын.4. -С.93-95

12. Кузьмин В.П., Томский К.А. Research on influence of UV radiation on museum

exhibits and new Measurement technologies:Тез. докл. Научная конференция по вопросам экспонирования и сохранения памятников культуры. — Лейпциг: Торговля и промышленность, 2000. —с.21

13. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.Н., Томский КЛ. Опыт разработки приборов для

контроля параметров микроклимата //Элтех. —2000. — С. 16-18

14. Кузьмин В.П., Михайлов О.М., Томский К.А. Средства измерения ультрафио-

летового и вцч им ого излучения и их метролошческое обеспечение: Тез. докл. Первый Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и медицинской техники» — М., 2000. — с.24

15. Томский КЛ. Свет: комфорт, безопасность, экономия//Индустрналы1ый Пе-

тербург. - 2000. - №3. - С. 16

16. Кузьмин В.П., Томский К.А. Современные приборы для измерения оптического излучения в растениеводстве//Свстотехника. -2000. -№5. — С.28-29

17. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.Н., Томский КЛ. Стратегия 1ГГН «ТКА» в создании

современных средств измерения оптического излучения: Тез. докл. 4-ой Между народной светотехнической конференции.-Вологда, 2000,-с.61

18. При купец Л.Б., Томский К.А. К вопросу о создании современных приборов для

измерения оптического излучения в растениеводстве: Тез. докл. 4-ой Международной светотехнической конференции. - Вологда, 2000. -с. 62

19. Кузьмин В.П., Томский КЛ. Illumination quality control in museums: Труды

Конгресса МКО. -Стамбул, 2001. -с.16

20. Томский КЛ. Методические и инструментальные вопросы измерения оптиче-

ского in луче ния в ультрафиолетовой и видимой областях спектра: Тез. докл. Всероссийская конференция «Оптика,стекло, лазеры». -СПб., 1995. 18-19с.

21. Томский КЛ. Световой ко1ггроль - по.кзно, безопасно, выгодно // ПравоПн-

форм. -2001. -Л« 3. -с.21

22. Кузьмин В.П.,Томский К.А. Метод опенки безопасною биологического воздей-

ствия ультрафиолетового излучения в области спектра 200-400 им: Тез. докл. Второй всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологичс-

с кого обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники». -Сочи: ВШПЮФИ, 2001. - 34 с.

23. Козлов. М.Г.Томский КЛ. Создание портативных гигроментров на основе оптического датчика влажности. НИОКР Гос.рсг.№01200205723. -2002

24. Томский К_Л. Разработка кинопроекционного ярком ера для использования в киносети. ОКР. Заказчик-Министерство культуры РФ. Per. Л81661.-2002

25. Томский К_Л. Изготовление для библиотек России переносных оптико-электронных приборов для контроля за сохранностью документов в процессе хранения. НИОКР. Заказчик— Российская Национальная библиотека. Per. № 13991.-2003

26. Козлов М.Г., Томский К.А. Optical Humidity Sensors and Optical Hygrometers Based on absorption of Vacuum Ultraviolet Radiation: Тез. докл. The 4th International Symposium on Humidity and Moisture.-Taipei, Taiwan, 2002.-c.164

27. Кузьмин В.Н., Томский КЛ. Новый российский кинопроекционный ярком ер// Техника кино и телевидения. — 2003. -№ 6 -CJ4-35

28. Кузьмин В.Н., Ершов К.С., Томский К.Л. Современные методы и средства измерения оптического излучения при кино показе. Кинофототехника. Научно-технические достижения и передовой опыт: Материалы конференции Метрология кинопоказа. —Москва, 2002.-с.4О

29. Томский К.Л. Создание новой техники. Современная стратегия // Индустрия. -

2002.-J\s2.-C.27

30. Кузьмин В.Н., Михайлов О.М., Томски» К.А. WAYS OF PERFECTION OF METHODS FORMEASUREMENT OF ULTRA-VIOLET RADIATION.: Сборник трудов. Конгресс «UltravioletTechnologics IUVA». -Вена-Австрия, 2003.-c.84

31. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Новый российский кинопроекционный яркомер: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. - СПб., 2003.-с.192

32. Барбар ЮЛ., Кузьмин B.IL, Томский К.А. Исследования воздействия освещения на музейные и библиотечные материалы, метрологическое и приборное обеспечение: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. -СПб., 2003.-с. 90

33. Денисюк А.И., Кузьмин В.И., Томский КЛ.Нзмерснпе цветовых характеристик источников излучения: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. - СПб., 2003. - с. 77

34. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Поверка или калибровка? Практическая метрология измерительных приборов//Индустрия. -2003. ~№1 -С.50

35. Кузьмин В.Н., Троицкий В.Н. Измеригель пульсации источников излучения. Тезисы докладов 5-ой Международной светотехнической конференции. СПб.,

2003.-c.193

36. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.П., Томский К.А. О сертификации средств измерения: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. - СПб., 2003. -с.196

37. Кузьмин В.Н., Троицкий Л.С, Томский К.А. Научное, методическое и приборное обеспечение курса «Светотехника» (для технических ВУЗов). НИОКР. Заказчик- Фонд СРМФП. Per. Л» 13989. - 2003

38. Томский К.А. НИОКР. Изготовление для библиотек России переносных оптико-электронных приборов для контроля за сохранностью документов в пронес-

се хранения. Per. № 13990.-2003

39. Пшаннн Г.Г., Кузьмин П.II., Томский К_Л. Новый колориметр ТКА-ШГТ// Приборостроение. - 2004-6 - С. 47-50

40. Кузьмин В.П., Томский К.Л. Исследования воздействия ультрафиолетового нз-лучення на экспонаты. Новые средства измерения параметров микроклимата. Теория и практика сохранения памятников культуры: Сборник научных трудов. - СПб.: РНБ, 2003. -с.7О

41. Барбар Ю.А., Кузьмин B.II., Томский К.Л. Производство и сертификация средств шмерения // Инновация. - 2003. - № .7 - С. 91-92

42. Томский К.Л. Сертификация и метрологическое обеспечение измерительных приборов: Материалы семинара «Организация, нормативное и научное обеспечение, сертификация работ по охране труда. Сертификация средств индивидуальной защиты». - СПб.: Выставочный центр Северо-Запада РФ, 2003. —с.41

43. Кузьмин В.П., Томский К.А. Фотометрические приборы в кинопроцессе и их метрологическое обеспечение. Проблемы раз Вйтия техники н технологии кино и телевидения: Сборник научных трудов. - СПб.: СНбГУКиТ, 2003. - с.48

44. Лоцманова Б.М., Томский К.А., Троицкий А.С. Измерение оптических характеристик документов на бумаге с помощью с не кг ро колориметра ТКА-РНБ: Материалы 4-ой международной конференции «Консервация памятников культуры в единстве и многообраз ни». - СПб.:РНБД003.-с.155

45. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.П., Стерли ко в Л.В., Томский КЛ. Рекомендации по применению измерителей оптического излучения и параметров микроклимата серии «ТКЛ»: Материалы пленума ГСЭН. М. ФЦ ГСЭН-, 2004. - с.173-179

46. Кузьмин В.П., Николаев С.Е., Сафронов СВ., Томский КЛ., Троицкий А.С Измерение коэффициента пульсации освещенности: Тезисы докладов конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение». М.£1ШИОФИ 2004. -с.55

47. Деннсюк Л. П., Кузьмин В. II., ТОМСКИЙ К.А. Измерение цветовых характеристик источников излучения: Тезисы докладов конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение». М.: ВНШЮФИ 2004. -с.58

48. Кузьмин В.П., ТОМСКИЙ К.А. Рабочие средства шмерения УФ-излучения: Тезисы заказных докладов. Семинар-выставка «Применение ультрафиолетового излучения в фотобиологических процессах и установках». М., 2004. - с.35

49. Кузьмин В.Н., Троицкий А.С, Томе кий КА. Measurement of flicker produced by light sources //Light & Engineering. - 2004. - №. 2 - С 67-69

50. Деннсюк Л.И., Кузьмин В. П., Томский К.А. Measuring of color characteristics of lightsourccs //Light & Engineering. - 2004.-№.2 - C. 70-73

51. Барбар ЮЛ., Кузьмин В.П., Томский К.А. Научно-практические рекомендации по применению измерителей оптического излучения и параметров микроклимата серии «ТКА»: Материалы научно-практической конференции «Состояние, проблемы и опыт аналитического приборостроения для сельскохозяйственного производства, пищевой и перерабатывающей промышленности и робототехнических систем точного земледелия». - СПб.:, 2004. - с.24-31

52. Козлов М.Г., Томский К.А., Троицкий А.С. Фотометры контроля качества полиграфической продукции // Измерительная техника. - 2004.

52. Козлов М.Г., Томский К.А., Троицкий А.С. Фотометры контроля качества полиграфической продукции // Измерительная техника. - 2004.

53. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Рекомендации по применению измерителен оптического излучения (приборная серия «ТКА») // Энергетика и промышленность России. Тематический сборник «Освещение». - 2004. - №1 -С.68-73

54. Дсннсюк А.И., Кузьмин В.Н., Томский К.А Новые разработки УФ радиометров НТП «ТКА»: Тезисы докладов конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение». - М.:ВНШ1ОФИ, 2004.

55. Козлов М.Г., ТОМСКИЙ К.А. Оптический гигрометр для определения абсолют-ион влажности газоа Пате1гг РФ per. № 2003137918 от 29.122003

56. Деннсюк А.П., Кузьмин В.Н., Николаев С.Е., Сафронов СВ., Томский К.А. Программа обработки данных устройства для определения цветовой температуры и координат цветности источников излучения. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612396

57. Томский К.А. Способ измерения ультрафиолетового излучения, устройство для его реализации, фотопреобразователь. Международный патент PCT/RU/00245. № 2172042

58. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Прибор комбинированный для измерении оптического излучения (люксмстр/УФ-радномстр)ТКА-01/3. Описание типа средства измерения. Госреестр средств измерений РФ№2715 от 23.04.97

59. Кузьмин В.Н., ТОМСКИЙ К.А. Фотометр (люксметр/яркомер)ТКА-04/3. Описание типа средства измерения. Госреестр средств измерений РФ №3109 от 29.12.97

60. Кузьмин В.Н., Томским К.А. УФ-раднометрТКА-АВС. Описанлетнпа средства измерения. Госреестр средств измерений РФ№8083 от 01.06.00

61. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Люксметр ТКА-Люкс. Описание типа средства измерения. Госреестр средств измерений РФ№8429 от 02.08.00

62. Козлов М.Г., Томский К.А. Измеритель влажности оптический ТКА-МК. Описание типа средства измерения. Госреестр средств измерений РФ №10790 от 24.09.01

63. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Прибор комбинированный для измерения видимого н УФ-излучсиия и параметров микроклимата ТКА-ПК. Описание типа средства измерения. Госресстр средств измерений РФ №13872 от 27.01.03

64. Кузьмин В.Н., Томский КА. Л юксметр-пульеметр ТКА-ПУЛЬС. Описание типа средства нзмерашя. Госреестр средств измерений РФ 25870 от 20.11.03

»15672

Тиражирование и брошюровка выполнены в ГУП «Знак»

Санкт-Петербург, ул. Восстания, 6. Тел. (812) 279-08-91 Лицензия ПДЛ № 69-199 от 25.08.02 г. Тираж 130 экз.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность1 работы

Цель работы и постановка задачи

Методы исследования

Новизна работы

Практическая значимость и реализация результатов работы

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

Личный вклад автора

Апробация работы

Публикации

Структура работы

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ФОТОМЕТРОВ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

1.1. Фотометрические величины и единицы их измерения

1.2. Анализ состояния мирового парка фотометров

1.3. Методы исследования метрологических характеристик

1.3.1.Методы исследования метрологических характеристик

1.4. Анализ динамического диапазона и погрешностей электронного измерительного канала

1.4.1. Физические процессы работы фотодиода

1.4.2. Анализ погрешностей электронного тракта приборов

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. Общая концепция построения приборов для измерения фотометрических величин

2.2. Схемы построения индикаторов и дозиметров УФ излучения

2.3. Обоснование возможности использования фотоприемников и их дополнительные исследования

2.4. Исследование воздействия оптического излучения на материалы музейных экспонатов для определения требований к измерительным приборам

2.5. Введение относительной ультрафиолетовой эффективности для повышения точности оценки воздействующего на музейные материалы облучения

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ФОТОМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

3.1. Проблемы фотометрических измерений в технологических процессах.

3.2. Измерение координат цвета и цветности компактными колориметрами -фотометрами

3.3 Измерения коррелированной цветовой температуры

3.4 Измерение пульсации источников излучения

3.5. Технологические фотометры для обслуживания полиграфической промышленности

3.6. Фотометры серии «ТКА» для контроля качества полиграфической продукции

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОЗДАНИЮ ОПТИЧЕСКОГО ГИГРОМЕТРА-ФОТОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

4.1 Методы и устройства для измерения влажности газов

4.2. Оптические гигрометры на поглощении электромагнитного излучения

4.3. Техника спектрометрии в вакуумной ультрафиолетовой области в применении к задачам гигрометрии

4.4. Оптический гигрометр «ТКА - МК - La - фотометр»

4.5. Преимущества и перспективы использования оптического ВУФ гигрометра - La фотометра «ТКА-МК»

ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОТОМЕТРОВ «ТКА»

5.1. Метрологическое обеспечение фотометрических измерений в Российской Федерации

5.2. Метрологическое обеспечение фотометров «ТКА» для измерения освещенности и яркости

5.3. Метрологическое обеспечение фотометров «ТКА» технологического назначения

5.4. Метрология гигрометрии

5.5. Калибровочный центр «НТП «ТКА»

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЕН ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

6.1. Комбинированный прибор «ТКА-01/3» Люксметр + УФ радиометр для музеев и библиотек

6.2. Фотометры серии «ТКА» для санитарных и медицинских целей

6.3. Фотометры «ТКА» для сельского хозяйства

6.4. Яркомеры «ТКА»

6.5. Колориметры «ТКА - ИЦТ» и «ТКА - РНБ»

6.6. Измеритель пульсации источников излучения «ТКА-Пульс»

6.7. Аппаратурные комплексы «ТКА» и их методическое обеспечение для преподавания основ фотометрии в ВУЗах

Актуальность работы

На всей территории нашей страны имеется большая потребность в рабочих фотометрических приборах самого различного назначения. В первую очередь это приборы для измерения собственно фотометрических величин - световых (освещенности, яркости, светимости) и энергетических [1,2]. Велика потребность отечественной промышленности в фотометрах технологического назначения - колориметрах, пульсметрах, измерителях дозы видимого и УФ излучений, в измерителях глянца, оптической плотности и т. д. Всего по стране используются десятки тысяч фотометров различного назначения. Все разнообразие этих приборов обеспечивается с точки зрения единства измерений метрологическим научным центром Госстандарта РФ - Всероссийским научно-исследовательским институтом оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) в Москве [3].

К настоящему времени в фотометрии сформировался целый ряд научных проблем. В первую очередь это связано с тем, что в оптике и оптическом приборостроении развивалась общая тенденция расширения диапазона длин волн, в котором используются оптические приборы. Это сказалось как на необходимости создания радиометров работающих в инфракрасной области, так и на создании радиометров в ультрафиолетовом диапазоне вплоть до мягких рентгеновских лучей. Появились и новые научные проблемы, требующие специального подхода к измерениям световых и энергетических потоков. Примером таких проблем являются исследования световых потоков с ракет и спутников Земли, а также исследования синхротронного излучения.

Новые методические подходы последних лет коснулись использования методов фотометрии в измерениях физических величин в неоптических направлениях науки и техники. Хорошо развито к настоящему моменту тепловидение, ведутся работы по радиационному материаловедению, по созданию космических локаторов, по объединению усилий оптиков и теплофизиков в создании новых типов фотометров.

Огромное влияние на состояние парка рабочих фотометров оказали изменения структуры нашей оптической индустрии, а именно: возможность использования импортной техники для измерений и импортных комплектующих изделий для собственных разработок; снятие ограничений на использование отечественных комплектующих изделий в создании приборов; все разработки в первую очередь стали рассматриваться с точки зрения конкурентоспособности на отечественном и мировом рынках.

В СССР на первом месте стояли оборонные задачи часто в ущерб нуждам гражданского приборостроения и нуждам рядового пользователя. На данном этапе политика ведущих научных и производственных центров радикально изменилась. Можно с уверенностью утверждать, что сейчас каждой разработке оптического прибора предшествуют маркетинговые исследования и ни одна серьезная работа не начинается без тщательного экономического обоснования. Как итог такого подхода - появились обширные области деятельности, для существования которых необходимы современные фотометрические приборы. Например: одним из важных потребителей фотометров выступают музеи [4], библиотеки, склады, магазины. Оказалось, что эту часть жизнедеятельности нашего общества необходимо обеспечить недорогими современными фотометрами [5].

Еще одним направлением применения фотометров стали различные технологические процессы, в которых основным выходом является контроль качества продукции [6]. У нас в стране выпускается 680 миллионов различных наименований продукции. И в 10-15% из них технический контроль качества может проводиться оптическими методами. Важным применением рабочих фотометров в народном хозяйстве является аттестация рабочих мест, экология и охрана жизнедеятельности людей [7,8]. В Российской Федерации защита здоровья человека обеспечивается комплексом Законов и нормативных актов, часть которых представлена в таб.1.

Таб. 1 Нормативные документы, предписывающие обязательный контроль световых параметров

Обозначение документа Наименование документа

Постановление МинТруда РФ от 14.11.97 №12 О порядке проведения аттестации рабочих мест по условиям труда.

СанПиН 2.2.2/2.1.1.1278-03 Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещщенному освещению жилых и общественных зданий.

СанПиН 2.2.2.542 96 Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, ПЭВМ и организации работы.

СанПиН 2.2.4.548 96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

СН №4557-88 от 23.02.1988 г. Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях.

СНиП 23-05-95 Строительные нормы и правила. Естественное и искусственное освещение

МУ №1322-75 МЗ СССР Методические указания по проведению предупредительного и текущего надзора за искусственным освещением промышленных предприятий.

ГОСТ РФ 50949-96 Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерения и оценки эргономических параметров и параметров безопасности.

Кроме существенных изменений экономики и науки в нашей стране за последние десять лет произошли серьезные изменения и в технике, используемой для фотометрических измерений. На данный момент существует огромный выбор приемников [9] и источников излучения [10], создано большое количество новых оптических материалов, новых подходов к созданию измерительных приборов широкого применения [11]. Это даёт возможность создания рабочих фотометров современного исполнения, отличающихся от традиционно известных [12] более высокой точностью, малым энергопотреблением, удобством в эксплуатации, хорошим дизайном. Большинство современных фотометрических приборов имеют возможность передачи данных в компьютеры, на которых легко организовать обработку и запоминание сигнала. Кроме этого в современных фотометрах стало возможным использование микропроцессоров, которые имеют собственную «память» и могут обрабатывать измеренный сигнал по заданным программам.

Востребованность фотометрических приборов народным хозяйством определяет актуальность поставленных задач. В начале 90х годов предыдущего столетия существовало два пути решения: либо ориентироваться на импорт измерительной техники, либо налаживать собственное производство. Это необходимо было сделать как можно скорее, так как объявленный переход к рыночным отношениям предусматривал серьезный рост номенклатуры ввозимых товаров, качество которых иногда не соответствовало современным требованиям.

На первом этапе народное хозяйство РФ пошло по пути импорта техники, в том числе измерительной. Тем более что в мире существовало несколько десятков приборостроительных фирм, работающих по принципу: «Тысячу тестеров для тысячи задач», способных поставлять простые, недорогие, надежные, удобные в использовании приборы для различного рода измерений, в том числе фотометрических.

Этот путь для целого ряда отраслей промышленности оказался весьма перспективным. Госстандарт РФ проводил в массовом порядке сертификацию импортной измерительной техники на соответствие нашим национальным стандартам. В Госреестр средств измерений РФ были внесены сотни разных типов приборов, что сделало законным их использование в нашей стране. Тем не менее, второй возможный путь решения проблемы - оснащение отраслей народного хозяйства РФ отечественной продукцией, всегда оставался более привлекательным и более эффективным.

Самым главным аргументом в пользу разработки и создания отечественных средств измерения, в частности, фотометров различного назначения, является общий высокий уровень отечественной оптической промышленности и оптической науки. Общество, запускающее космические корабли и межпланетные станции, со всех точек зрения могло и обязано было обеспечить свою промышленность измерительной оптической техникой.

В рамках данной работы разработка и создание фотометрической измерительной техники развивалось в соответствии с тактической актуальностью возникающих задач в рамках общей стратегии оснащения подавляющего большинства направлений промышленности и технологии.

Таб. 2 Прогноз потребности в фотометрах различного назначения, шт.

Область Люксметры, яркоме- УФ-радиометры, ИК- Колориметры, деятельности ры, пульсметры фотометры денситометры

Машиностроение 45000 5000 3000

Санитарный над- 25000 10000 1000 зор, медицина

Музеи, библиотеки, 20000 10000 5000 кинотеатры

Химическая про- 20000 5000 5000 мышленность

Полиграфическая 5000 3000 10000 промышленность

Пищевая промыш- 15000 8000 3000 ленность

Электротехниче- 10000 2000 1500 ская промышлен- ность

Образование 20000 1000 1000

Всего 160000 44000 29500

В начале 90х [13] годов весьма актуальным было оснащение музеев фотометрами и УФ радиометрами. В соответствии с этим наши разработки в это время в основном были направлены на решение этих проблем. Затем стало очевидным, что аналогичная измерительная техника весьма полезна в здравоохранении, особенно в части радиометрии УФ излучения [14]. С разработкой измерителей влажности, в том числе работающих как фотометры, стало возможным проведения комплексных измерений при аттестации рабочих мест [15]. СоответI ственно, в круг рассматриваемых задач вошли, как наиболее актуальные, измерения параметров микроклимата и окружающей среды [16].

Следующей актуальной тактической задачей стала разработка фотометров специального назначения для контроля цвета, лоска, оптической плотности прозрачных материалов и отражающих покрытий [17]. Здесь актуальность разработок определялась необходимостью иметь средства контроля качества выполнения технологий и качество промышленной продукции. Создаваемая техника этой группы приборов была сориентирована на полиграфическую, лакокрасочную, текстильную промышленность.

С научно-методической стороны актуальность выбранного направления работа состояла в поиске новых решений, которые позволили бы успешно действовать в условиях конкуренции. Суммируя актуальность тактических проблем, итоговая стратегическая актуальность диссертации основана на: востребованности измерительной фотометрической техники в самых различных отраслях народного хозяйства высоком уровне отечественной оптической промышленности, в особенности при выполнении разовых общегосударственных программ. - ориентировании создания производства рабочих фотометров широкого назначения на отечественные разработки, на отечественное программное и метрологическое обеспечение.

Таким образом, к началу работы сложилась ситуация, при которой фотометры нового поколения требовались практически во всех отраслях деятельности по всей стране, создание их стало актуальной задачей.

Цель работы и постановка задачи

Основной целью данной работы является обеспечение потребности народного хозяйства страны в фотометрических измерениях на основе исследований, разработки и изготовления фотометров различного назначения нового поколения.

Поставленная таким образом общая цель работы предусматривает проработку более конкретных вопросов, без решения которых задача в целом не может быть решена. В первую очередь это выбор стратегии и тактики создания оптико-электронных приборов современного поколения от общей структуры схем измерительных приборов до использования соответствующей элементной базы [18]. При этом следует учитывать, что эти проблемы требуют совершенствования способов решения, так как изменяется спрос, совершенствуется элементная база, расширяются возможности совместного использования фотометрических приборов с другой измерительной техникой, с современными микропроцессорами, с ЭВМ и т.п.

Большое значение в программе создания фотометров имеют маркетинговые исследования [19]. Современные приборостроительные предприятия не могут выпускать большой объем продукции, не приносящей доход. По этой причине все разработки приборов, выполненные в данной работе, были ориентированы на конкретного потребителя, за счет которого существовало и развивалось производство.

Еще одним блоком проблем, которые необходимо было решить в рамках данной работы, являлись проблемы метрологического обеспечения фотометрических приборов серии «ТКА».

К ним относится создание стендов для градуировки приборов [20], методик поверки, проведения испытаний в Госстандарте РФ с целью утверждения типа, разработка новых методов метрологического обеспечения как по децентрализованной схеме с использованием стандартных образцов и стандартных справочных данных, так и по централизованной схеме с привязкой к первичным эталонам РФ и организацией возможности поверки и калибровки измерительной техники на специально созданной эталонной базе. Для реализации последнего был создан и аттестован Госстандартом калибровочный центр НТП «ТКА».

Кроме чисто приборостроительных задач для успешного развития потребности в качественных фотометрических измерениях обозначилась проблема создания оптического, в первую очередь, фотометрического и светотехнического оборудования для тех ВУЗов, где готовят потенциальных пользователей, потребителей продукции производства [21]. Аппаратурное и методическое решение этой задачи также являлось одной из целей данной работы. В результате, в работе предусматривалось решение следующих проблем:

1. Маркетинговые исследования потребности народного хозяйства в фотометрических рабочих измерительных приборах.

2. Разработка схем фотометрических рабочих приборов.

3. Изготовление фотометров различного назначения.

4. Исследование эксплуатационных и метрологических характеристик фотометров, разработанных на фирме «ТКА»

5. Метрологическое обеспечение выпускаемой продукции.

Все перечисленные проблемы решаются на научно-производственной фирме «ТКА», созданной автором данной диссертации. Работы проводятся в научном, производственном отделах «ТКА» и в калибровочном центре «ТКА», аттестованном Госстандартом РФ в установленном порядке.

Методы исследования

В работе использовались методы фотометрии и радиометрии оптического излучения [22]. В основу созданных приборов положены принципы светотехнических измерений [6, 23, 24], основы колориметрии, а также методы атомно - абсорбционной спектроскопии вакуумного ультрафиолета [25]. Показатели качества приборов и их метрологические характеристики обеспечивались централизованной системой передачи размеров единых фотометрических величин от эталонов к рабочим средствам измерения. В ряде случаев использовались методы децентрализованного метрологического обеспечения - по стандартным образцам и стандартным справочным данным.

Новые возможности в построении рабочих фотометров в данной работе реализованы за счет использования микропроцессоров. Это позволило сделать приборы более универсальными, более точными, более удобными в обслуживании. Некоторые типы измерителей, такие как колориметры, денситометры, пульсметры и другие вообще могли быть реализованы только в микропроцессорном исполнении.

Существенные новые отличия разработанных в рамках данной программы приборов коснулись метрологического обеспечения [26, 27]. Это относится к созданию градуировоч-ных стендов, и разработке оригинальных методов калибровки, к использованию стандартных справочных данных в метрологическом обеспечении разработанных приборов. В таблице 3 показаны направления научных исследований, являющиеся основным содержанием работы. Условно выделено 4 направления:

Таб.3 Основные направления и научные разработки, выполненные в диссертации

Разработка методов и средств для метрологического обеспечения измерений

-создание методов фотометрии и радиометрии, обеспечивающих калибровку рабочих средств измерения; -разработка специальных и универсальных установок для выполнения калибровочных работ в условиях серийного производства; -разработка и аттестация рабочих эталонов;

-сертификация разработанных средств измерения (СИ), включая, разработку программы испытания, методики поверки и описания типа СИ.

Теоретическое обоснование и схемы построения фотометров нового поколения, в т.ч.:

-измерители фотометрических величин (люксметры, яр-комеры, УФрадиометры); -приборный ряд измерителей УФ-излучения индивидуального пользования;

-фотометры технологического назначения (пульсметры, колориметры, измерители цветовой температуры, денситометры);

-специальные ВУФ-фотометры для измерения неоптических параметров (оптический ВУФ-гигрометр).

Исследование основных характеристик компонентов фотометрических устройств, в т.ч.:

-анализ разброса параметров спектральных характеристик фотоприемных устройств (ФПУ); -разработка алгоритма для индивидуального подбора элементов коррекции;

-поэлементный анализ основных функциональных блоков; -обоснование выбора и расчет элементов ФПУ, ответственного за приведение пространственной характеристики к расчетной; -исследование характеристик оптического датчика влажности на длине волны Lg.

Исследования, обеспечивающие разработку конкретных типов фотометров

-анализ международных, общероссийских и отраслевых нормативных документов, регламентирующих уровни освещенности или требования к измерительным приборам;

-исследования и анализ характеристик и параметров выпускаемых промышленностью приборов и комплектующих; -обоснование методов измерения колориметрических величин;

-маркетинговые исследования перспектив развития рынков фотометрических приборов.

Новизна работы состоит в следующем:

- Разработан и реализован метод определения коррелированной цветовой температуры источников излучения, основанный на переходе из колориметрической системы х,у в рав-ноконтрастную систему и, v.

- Экспериментально доказано преимущество фотоэлектрических колориметров перед спектральными для решения целого ряда прикладных задач, в том числе при оценке цветности экранов мониторов.

- Автором проведены исследования возможности создания фотометра в вакуумной ультрафиолетовой области для измерения влажности воздуха газов и создан принципиально новый измеритель влажности - оптический гигрометр.

- Предложен метод измерения УФ облученности с использованием эффективных величин, реализованный при оценке воздействия оптического излучения на материалы музейных экспонатов.

- Разработан и реализован комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

- Разработаны принципы построения измерителей оптического излучения, созданы оригинальные измерительные установки и исследована элементная база создаваемых измерителей.

- Разработаны принципы построения и создана группа приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

- Разработаны и внедрены в условиях серийного производства алгоритмы и программы расчета погрешности коррекции фотоприемных устройств и обоснованы возможности снижения погрешности измерений.

- Разработан алгоритм и программа расчета коррелированной цветовой температуры источников излучения.

- Разработаны и внедрены в условиях серийного производства методики и средства калибровки фотометров для измерения освещенности, яркости, УФ облученности.

- Предложена метрологическая концепция эталона пульсации световых потоков и создан специальный калибратор для градуировки измерителей пульсации оптического излучения.

- Созданы аппаратно-методические комплексы для обеспечения преподавания основ фотометрии и светотехники в ВУЗах. Написана книга «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники», содержание которых является теоретической основой диссертации.

- Создан ряд оригинальных приборов для измерения излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра на уровне рабочих средств измерения, внесенных в Государственный реестр и предназначенных для решения практических и научных задач.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Практическая значимость работы определяется в основном успехами тех отраслей народного хозяйства, в которых используются наши приборы. Среди огромного количества задач, решаемых с использованием фотометров, следует особенно выделить те, в которых они нашли наибольшее применение:

1. В здравоохранении для измерения доз видимого и ультрафиолетового излучения, в измерениях освещенности, яркости, создаваемых источниками света [28].

2. В промышленности для контроля освещенности и облученности по условиям труда и техники безопасности [29].

3. В светотехнике [24] широко используются фотометры «ТКА» при измерениях силы света, цветовой температуры и координат цветности источников излучения, при измерении чувствительности фотоприемников, в измерении пропускания светофильтров и коэффициентов отражения непрозрачных объектов.

4. Для контроля уровня освещенности на объектах транспорта и связи [30].

5. В кино и на телевидении для измерения светимости, освещенности, яркости качества цветопередачи на экранах [31].

6. При контроле качества мониторов в компьютерах, контроле качества сканеров при аттестации уровня изготовления оргтехники [32].

7. В библиотеках и в музеях для измерения уровня освещенности и УФ облученности, определяющих световой режим при экспозициях и при хранении [33].

8. В технологических измерениях цвета, белизны, лоска, оптической плотности при контроле качества выполненния технологических процессов в полиграфической, текстильной, лакокрасочной, обувной промышленности.

9. При аттестации рабочих мест и проверки выполнения требований норм санитарного и экологического контроля в рабочих помещениях.

10. В научных исследованиях при необходимости измерять уровень освещения, а также контролировать качество цветопередачи, лоск, белизну, оптическую плотность.

11. В метрологии при измерении характеристик влажности в тех случаях, когда необходимо работать в реальном масштабе времени при сохранении высокой точности измерений.

12. В метрологии как образцовое средство (эталон) второго разряда при передаче размера единиц уровня освещенности, экспозиционной дозы и других величин.

Кроме перечисленных направлений имело место практическое использование фотометров «ТКА» при решении частных фотометрических и светотехнических задач. Всего в народное хозяйство РФ направлено более 7000 рабочих средств измерения фотометрических величин, 500 приборов технологического назначения и сотни приборов, изготовленных по отдельным заказам.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Теоретические основы и принципы построения многоканальных фотометров нового поколения.

2. Методики формирования основных сквозных характеристик фотоприемных устройств.

3. Алгоритмы для расчета параметров и компьютерной обработки результатов измерений фотометрами широкого применения (люксметры, УФ-радиометры, яркомеры, пульсмет-ры) и фотометрами технологического назначения (колориметры, денситометры, блеско-меры и т.п.), а также для прецизионных и эталонных измерителей фотометрических величин.

4. Методики измерения коррелированной цветовой температуры колориметрами интегрального типа, основанные на переходе из системы координат х,у в равноконтрастную систему и, v.

5. Концепция создания группы приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ-излучения.

6. Комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное и серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

7. Принципы построения и основы создания микропроцессорных колориметров интегрального и спектрального типа, позволяющие проводить измерения координат цветности источников излучения в соответствии с требованиями отечественных и международных стандартов.

8. Методики оценки воздействия УФ-излучения на музейные художественные ценности при введении в качестве относительной ультрафиолетовой эффективности условного приемника, спектральная чувствительность которого соответствует табулированным значениям кривой Direct Pigmentation.

9. Теоретические основы и принципы построения фотометров-гигрометров как эталонов абсолютной влажности и методика их градуировки по физическим константам.

10. Метрологическое обеспечение серии фотометров «ТКА» нового поколения соответствующее мировому уровню и являющееся основой для обеспечения единства измерения фотометрических величин на территории Российской Федерации.

11. Решение важной практической задачи — народное хозяйство Российской Федерации оснащено набором современных рабочих приборов - фотометров различного назначения, обеспечивающих потребность в измерениях большинства отраслей страны.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в решении поставленной задачи в первую очередь состоит в создании Научно - производственного предприятия «ТКА» где автор является основным организатором всех сторон деятельности, обеспечивающих научное, техническое и финансовое состояние фирмы. Автор лично является идеологом номенклатуры и состава создаваемых изделий, основным разработчиком большинства моделей фотометров «ТКА». Исследования эксплуатационных характеристик, разработка методов и средств метрологического обеспечения приборов в большинстве своем проводились под руководством автора. Реализация идеи использования методов спектроскопии вакуумного ультрафиолета в создании и презентации оптического гигрометра мгновенного действия проводились лично диссертантом. Автору принадлежит заслуга в модернизации учебного процесса по фотометрии и светотехнике в ВУЗах Санкт-Петербурга. Учебное пособие «Оптические измерения» [2] и монография «Светотехнические измерения» [6] написаны и опубликованы под непосредственным руководством автора на всех этапах прохождения рукописи. Автором лично исследовано воздействие ультрафиолетового излучения на материальные объекты, разработаны методы и средства регистрации излучения в широком диапазоне длин волн [34]. Под руководством автора созданы и исследованы приборы для измерения световых параметров источников оптического излучения. Лично автором выполнены маркетинговые исследования, методы определения необходимой комплектации и уровня сервисного обслуживания, приоритетность метрологического обеспечения каждого разработанного прибора. Получение 3-х авторских свидетельств и патентов [34 ,35, 36] является личной инициативой автора.

Личный вклад автора в решении поставленной задачи в целом и в её основополагающих разделах является определяющим.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: - Всероссийской конференции «Оптика, стекло, лазеры - 95», СПб, 1995г.

Международном семинаре «Оптика, инновация - 96» 1996г. Лейпцигская инновационная ярмарка, Лейпциг

Международной конференции «Физическая метрология» СПб, 1996 г.

- Международная конференция «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях» СПб, 1996 г.

- Четырех научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» Москва, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2004г.

- Международных конференциях «Безопасность музеев», Новгород, 1993 г., Москва, 1994 г. Киров, 1995 г.

- Международных Светотехнических конференциях Ленинград, 1993 г., Суздаль, 1995 г., Новгород 1997г., Вологда, 2000 г., Санкт-Петербург, 2003.

- Всероссийском семинаре «Безопасность библиотек и библиотечных фондов» СПб, 1997г.,

- Международном конгрессе «Art & Chimie», Париж, 1998г.

- Научной конференции по вопросам экспонирования и сохранения памятников культуры. Лейпциг, 2000 г.

- Конгрессе МКО, Стамбул, 2001 г.

Всероссийских научно-технических семинарах «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и медицинской технике». 2000 г., 2002 г.

- III международном симпозиуме по измерению влажности, 2002 г., Тайбей, Тайвань.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 75 печатных работ, среди них монография «Светотехнические измерения» и учебные пособия «Оптические измерения» (раздел «Фотометрические измерения») и «Основы светотехники», 5 депонированных в Министерстве науки РФ НИОКР. В материалах конференций и семинаров опубликовано 40 докладов, 2 патента и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. При проведении Госиспытаний 7 типов фотометров составлены руководства по эксплуатации, методики измерений, методики поверки, описания типов для Госреестра РФ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 216 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 23 таблицы и 203 наименования библиографического указателя. Приложения содержат документы об использовании результатов работы и научный раздел маркетинговых исследований.

Основные результаты работы:

1. Разработаны конструкции и поставлены на производство рабочие приборы для измерения фотометрических величин: освещенности, яркости, УФ-облученности и УФ-экспозиции. 7 типов фотометров по результатам госиспытаний включены в Госреестр средств измерений РФ.

2. Разработана конструкция и поставлены на производство фотометры технологического назначения — приборы для измерения координат цвета и цветности, измерители цветовой температуры, измерители лоска, белизны, оптической плотности прозрачных и непрозрачных объектов, измерители пульсации источников излучения. Измерители цвета изготовлены как для определения координат цвета самосветящихся объектов, так и для отражающих покрытий с учетом их освещения различными типами стандартных источников света (А, В, С, D). Разработан метод определения коррелированной цветовой температуры, который использован в приборе «ТКА-ИЦТ», предназначенном для исследования и аттестации источников света.

3. Проведены исследования возможности создания фотометра в вакуумной ультрафиолетовой области для решения одной из важных измерительных задач -измерения влажности воздуха (газов). Введено в измерительную практику использование абсорбционной фотометрии ВУФ в анализе состава газов. Создан оптический гигрометр, позволяющий измерять влажность воздуха в газах и в газовых потоках в реальном масштабе времени с индикацией всех основных характеристик влажности: абсолютной влажности, относительной влажности, температуры точки росы.

4. Реализован комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

5. Создана группа приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

6. В фотометрах, когда реализуется косвенные измерения - в колориметрах, измерителях белизны, пульсметрах, оптических гигрометрах в конструкцию включен микропроцессор отработка на программ по которым проводятся измерения, предусмотрена связь с компьютером. Это позволило повысить класс прибора и расширить потенциальный круг потребителей.

7. Для ряда приборов созданы средства метрологического обеспечения. Разработан специальный калибратор для градуировки измерителей пульсации оптического излучения «ТКА-Пульс». Разработан генератор влажного воздуха для исследования оптического гигрометра, создан и аттестованы в установленном порядке стенды для градуировки всех типов фотометров «ТКА».

8. Создано научно-техническое предприятие «ТКА», основной деятельностью которого является научно-технические разработки, направленные на поиск оптимальных вариантов схем фотометров и методов их метрологического обеспечения. При фирме «ТКА» создан калибровочный центр, аккредитованный органами Госстандарта. В калибровочном центре разрабатывается научно-техническая документация, необходимая для выпуска приборов и для проведения государственных испытаний: технические условия, руководства по эксплуатации, методики поверки, описания типа для включения в Госреестр средств измерений, программы испытаний. По желанию заказчиков калибровочный цент организует государственную поверку с выдачей свидетельства установленного образца.

9. Проведено несколько десятков поисковых научно-исследовательских работ по решению научных проблем, связанных с созданием рабочих фотометрических приборов. Все результаты внедрены в производство фотометров «ТКА».

10. Созданы аппаратно-методические комплексы для обеспечения преподавания основ фотометрии и светотехники в ВУЗах. Изготовлен комплект приборов для учебных лабораторий и разработаны методические материалы.

11. Написана книга «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники», содержание которых является теоретической основой диссертации. Рассмотрены основы фотометрии, основы теории теплового излучения, линейчатого излучения атомов и молекул. Кратко рассмотрены принципы создания современных источников света, приемников излучения и современных спектральных приборов, использование которых важно в спектрофотометрии. Отдельное внимание в книге уделено метрологическому обеспечению фотометрии.

12. Показано, что потребность народного хозяйства в рабочих фотометрах может быть удовлетворена отечественными разработками, соответствующими мировому уровню приборостроения. Это утверждение основано на результатах презентации приборов «ТКА» на международных выставках, на симпозиумах и семинарах. Возможность осуществления калибровки, ремонта и поверки измерительной техники на территории РФ также способствует укреплению позиций фирмы «ТКА» на отечественном рынке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. ГОСТ 26148 84 Фотометрия, термины и определения, с. 8.

2. Ишанин Г.Г., Козлов М.Г., Томский К.А. Основы светотехники. Учебное пособие СПб.:Изд. «Береста», 2004. 290 с.

3. Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений». 1996.

4. Козлов М.Г., Томский К.А. Светотехнические измерения. СПб.:Изд. СпбУТиД, 2004. 307 с.

5. Томский К.А. Свет: комфорт, безопасность, экономия//Индустриальный Петербург. 2000. №3. С. 16

6. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Стерликов А.В., Томский К.А. Рекомендации по применению измерителей оптического излучения и параметров микроклимата серии «ТКА»: Материалы пленума ГСЭН. М. ФЦ ГСЭН:, 2004. с.173-179

7. Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, В.П. Челибанов. Приемники излучения. СПб, Папирус,2003.

8. Ишанин Г.Г. Панков Э. Д. Андреев А. Л. Полыциков Г. В. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург «Политехника». 1991.

9. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Стратегия НТП «ТКА» в создании современных средств измерения оптического излучения: Тез. докл. 4-ой Международной светотехнической конференции. Вологда, 2000. с.61

10. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: Энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экономическим и медицинским измерениям. М.: ИПК Издательство стандартов. 2002.

11. В. Праль, инж., Г. Ресслер, докт. (Германия) Освещение музеев: проблемы и требования. «Светотехника» N 5 б, 1993г

12. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест//Проблемы информатизации. 1999. вып.4. С.93-95

13. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Опыт разработки приборов для контроля параметров микроклимата // Элтех. 2000. С. 1 б-18

14. Козлов М.Г., Томский К.А., Троицкий А.С. Фотометры контроля качества полиграфической продукции // Измерительная техника. 2004. №. С.35-38

15. Томский К.А. Создание новой техники. Современная стратегия // Индустрия.2002. №2. С.27

16. Томский К.А. Элементы маркетинга фотометрических приборов. Анализ и оценка потребности в основных сегментах рынка. // Светотехника 2004. №4, С.38-39

17. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Производство и сертификация средств измерения//Инновация. 2003. №.7 С. 91-92

18. Кузьмин В.Н., Троицкий А.С., Томский К.А. Научное, методическое и приборное обеспечение курса «Светотехника» (для технических ВУЗов). НИОКР. Заказчик Фонд СРМФП. Per. № 13989. 2003

19. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.

20. Основы оптической радиометрии/ под ред. проф. А.Ф. Котюка.- М.: Физматгиз,2003, С.153-156

21. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (Фотометрия). M.-JL: Госэнергоиздат, 1962. - 463.

22. А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. М., Главная редакция физико-математической литературы, 1967.

23. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. О сертификации средств измерения: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. СПб., 2003.с. 196

24. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Поверка или калибровка? Практическая метрология измерительных приборов //Индустрия. 2003. №11. С.50

25. ОСТ 32-9-81. ССБТ. Нормы искусственного освещения объектов железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 198931

26. Кузьмин В.Н., Ершов К.С., Томский К.А. Современные методы и средства измерения оптического излучения при кинопоказе. Кинофототехника. Научно-технические достижения и передовой опыт: Материалы конференции. Метрология кинопоказа. Москва, 2002. с.40

27. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест//Проблемы информатизации. 1999. вып.4. С.93-95

28. Иванов Ю.П., Томский К.А. Рекомендации по нормированию освещенности в музеях и библиотеках. М.: Управление музеев Министерства культуры РФ, 1997. 14 с.

29. Козлов М.Г., Томский К.А. Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов. Патент РФ per. № 2003137918 от 29.12.2003

30. Денисюк А.И., Кузьмин В.Н., Николаев С.Е., Сафронов С.В., Томский К.А. Программа обработки данных устройства для определения цветовой3639.