CC BY
3
Taranov Alexander Ivanovich, head of the department, ostrov_it@mail.ru. Russia, Mytishchi, FSBI "16 TSNIII" of the Ministry of Defense of Russia,
Abramkin Roman Viktorovich, candidate of technical sciences, deputy head of the department-head of the laboratory, avg62rus@rambler. ru, Russia, Mytishchi, FSBI "16 TSNIII" of the Ministry of Defense of Russia,
Gubskaya Oksana Alexandrovna, candidate of technical sciences, lecturer, gMbskaya.oa@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications
УДК 535.6.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-594-595
ПРИМЕНЕНИЕ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАЩИТНЫХ СТЕКОЛ
АВИАЦИОННЫХ ПРОЖЕКТОРОВ
Е.Е. Майоров, Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Н.Е. Баранов
Работа посвящена исследованию защитных стекол авиационных прожекторов с применением колориметрического метода. Колориметры имеют высокую точность измерений, достаточно большой диапазон измерений и добротную автоматизацию, поэтому применение колориметрического метода для контроля защитных стекол авиационных прожекторов является перспективным и актуальным. В работе дана постановка задачи и определены метод и объект исследования. Приведен внешний вид и структурно функциональная схема прибора, а также даны технические характеристики. Получены фотометрические параметры исследуемых защитных стекол, а разработанный колориметрический прибор, использующий трехэлементные диоды, полностью обеспечил измерения этих параметров на уровне различимых визуально оттенков цвета.
Ключевые слова: защитное стекло, колориметрия, референтные значения, анализатор, длина волны излучения, светодиод, фотодиод.
Колориметрия, как одно из направлений фотометрии, представляет значительный интерес для различных областей науки и техники, таких как пищевая и химическая промышленность, приборостроение, машиностроение, экология, медицина, биология, а также авиационная отрасль [1].
Современные колориметрические методы и средства для контроля цветовых параметров исследуемых объектов востребованы и перспективны [2]. Колориметрия призвана выявить качественные параметры цвета - цветность, оттенок, насыщенность. В последние годы наблюдается тенденция к росту разного назначения колориметров для специализированных светотехнических лабораторий [3].
Импортные и отечественные колориметры оснащены спектрофотометрическими анализаторами, которые определяют спектры отражения или пропускания контролируемой среды или объекта в спектральном диапазоне от 360 нм до 780 нм [4]. Каждый колориметрический прибор или система имеют программу, которая по полученным спектрам рассчитывает координаты цветности, оттенка, насыщенности исследуемых объектов, а также дает возможность выбрать необходимую колориметрическую систему координат для представления экспериментальных данных
[5].
Одной из составных частей современных колориметров является интегрирующая фотометрическая сфера
[6]. На практике применяются интегрирующие фотометрические сферы, где источник света и фотоприемник вынесены за границы сферы [7].
Конечно же, такие колориметры имеют высокую точность измерений, достаточно большой диапазон измерений и добротную автоматизацию. Эти приборы и системы не лишены недостатков [8]. Специалисты, работающие на таких приборах и системах, отмечают сложное регламентное обслуживание, габаритные размеры могут достигать от 1000 мм до 2500 мм, конструкция усложнена за счет введения интегрирующей фотометрической сферы и цена такой продукции превышает в разы лабораторные приборы и комплексы [9], [10].
Поэтому может представляет интерес исследование защитных стекол с помощью колориметрического прибора в состав которого входит специально разработанная интегрирующая фотометрическая сфера, где источник излучения и фотоприёмное устройство установлены внутри сферы [11]-[13]. Источник света - трехэлементный RGB-светодиод, фотоприёмное устройство - трехэлементные RGB-фотодиод выполнены из оптоэлектронных компонент, которые могут проводить измерения не хуже традиционных (лампа накаливания или галогеновая лампа, фотоэлектронный умножитель) [14], [15]. Данный колориметрический прибор имеет специально разработанную программу, где производится расчет координат цвета исследуемого объекта на цветовом треугольнике.
Целью работы состояла в применении колориметрического метода для контроля защитных стекол авиационных прожекторов.
Постановка задачи. Провести измерения цветовых параметров защитных стекол (силикатных закаленных) колориметрическим прибором. Проанализировать координаты цветности исследуемых объектов относительно референтных значений эталонов.
Объекты и метод исследования. Производители силикатных закаленных стекол большое внимание уделяют не только оптической геометрии изделий, но и цветности своей продукции. Применение колориметрии для выходного контроля цветности изделий является значимой задачей для производств занимающимися цветовой гаммой различных объектов и сред.
Основными производители силикатных закаленных стекол являются как зарубежные компании: «РДЫ^-йзп», Великобритания; <Ю^егЬе1», Бельгия, так и отечественные компании: «Поволжкое Техстекло», Россия; «Электростекло», Россия.
В работе может представлять интерес сравнительный анализ иностранных и отечественных исследуемых образцов на разработанном колориметрическом приборе. Прибор был полностью сделан из российских деталей, электронных плат и компонент. Образцы для исследования были предоставлены Санкт-Петербургским производителем силикатных закаленных стекол для авиационных прожекторов.
Представленные образцы показаны на рис. 1.
а) б> В)
Рис. 1. Образцы силикатных закаленных стекол: а - «Электростекло» (Россия); б - «РШп$оп» (Великобритания); в - «ОЫхегЪеЪ» (Бельгия)
Для исследований использовался колориметрический прибор, который был откалиброван по цветным эталонам. Внешний вид колориметрического прибора показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид колориметрического прибора
В качестве источника излучения применяется RGB-трехэлемешный световой излучатель, а приемного устройства - RGB-фотодиод, которые установлены внутри полости сферы. На рис. 3 показана структурно функциональная схема.
RGB-фотодиод принимает нерассеянную диффузно отражающую компоненту света от исследуемого объекта. В этом приборе микроэлектронная плата сбора и обработки информации. Особенности интегрирующей фотометрической сферы являлось то, что она была изготовлена из ТФ4 (фторопласт 4), который обеспечивал равномерное диффузное отражение на уровне R = 0,87. Прибор имеет маленькие массогабаритные размеры, что делает его привлекательным для колориметрических исследований.
В таблице приведены технические характеристики.
Программное обеспечение давало возможность представлять информацию в виде массива данных, графически (цветовой треугольник), выводить данные в формате .xls и .doc, а также сохранять данные на жестком диске компьютера или на переносной носитель. Основное окно программы показывало результаты измерений (пересечение красной, зеленой и синей области) исследуемого объекта. Три составляющие выходного сигнала определялись спектральным отражением компонент оптической системы, спектральным распределением энергии источника света и цветовыми параметрами исследуемого объекта. Результаты каждого измерения воспроизводились в графической форме на пересечении красного, зеленого и синего круга. Программа позволяла выводить цветовой треугольник, где можно было наблюдать цветность образцов относительно референтных значений каталогизированных цветных стекол (эталонов).
ЦУ//////////А \1А^//////////,
щ
ИНТЕГРИРУЮЩАЯ СФЕРА
Рис. 3. Структурно функциональная схема прибора
Параметры/модель Колориметр
Конструкция Интегрирующая фотометрическая сфера с ИСБ-светодиодом и ИСБ-
фотодиодом
Геометрия измерения Диффузное отражение
Источник света ИСБ-светодиод
Диаметр сферы 150 мм
Анализатор 350...750 нм
Фотометрическая шкала 0...100 %
Напряжение 120.220 В
Температура 5.40 °С
Влажность 5.85 %
Габаритные размеры (мм х мм х мм) 310 х 215 х 150
Масса, не более (кг) 10 кг
Вывод данных измерений Жидкокристаллический дисплей
Температурный режим хранения и транспортировки - 10°С...+ 50 °С
Экспериментальные результаты. С помощью колориметра были исследованы защитные стекла (силикатные закаленные) производителей разных стран. При измерениях маркеры цветового треугольника (референтные значения) сравнивались с параметрами цветности каждого исследуемого образца. Программой определялись параметры цветности (координаты) x, у, z в традиционной системе X, Y, Z для трехэлементного светодиода.
х = X /(ж + у + г);
у = У/(х + у + г); >
г = Z/(x + у + г),
где х, у, г - интегралы в диапазоне спектра от 360 нм до780 нм:
1100
X = к | х(Л)р(Л^Л;
190 1100
У = к | у (Л) р(Л)Л
190 1100
Z = к | г (Л)рЛЛ;
190
1100
к = 100/ 15(Л)рЛЛ,
190 ^
где х ( Л ) , у ( Л ) , 2 ( Л ) - функции удельных координат цвета, - спектральное распределение энергии излучателя, р(к) - спектральная зависимость коэффициента отражения диффузного отражателя.
Полученные результаты в системе Я, О, В были преобразованы в систему X, У, Z:
л
V" 31
■•22 У
У1 У 2 Уз
Хз jfRi
G,
"1 23 У
Определялись элементы данной матрицы посредством образцов цветных диффузных отражателей, координаты цветности х, у, г и цвета К, О, В, которые вычислялись программой.
Применяя данную матрицу возможно получить координаты цветности и цвета для любых цветных объектов.
У К О ВУ
На рис. 4 значения X, У, 1 преобразованы в координаты цветности х, у, 2 после чего определялись значения образцов.
На цветовом треугольнике звёздочкой (*) отмечены референтные значения следующих каталогизированных цветных стекол: СС2 - синее стекло; ЗС8 - зелёное стекло; ПС7 - пурпурное стекло; ЖС19 - желтое стекло; ЖЗС18 - желто-зелёное стекло; ОС6 - оранжевое стекло; КС11 - красное стекло.
Полученные значения исследуемых образцов отмечены: для образца компании «Электростекло», Россия -плюсик (+); для образца компании «РПкг^Шп», Великобритания - крестик (х); для образца компании <Ю1этегЬе1», Бельгия - кружочек (°).
Как видно из рис. 4 полученные экспериментальные значения образцов друг от друга не сильно отличаются. Это говорит о том, что продукция этих производителей находится высокого качества. Так как продукция (защитные стекла (силикатные закаленные)) зарубежных производителей перестала поступать на российский рынок, то можно с уверенностью сказать, что российский производитель может полностью заменить зарубежные аналоги.
R2
R3 ^
G2 G3
Bi B2 в
2
f X ' a11 a1
Y = a21 a
V2 У ч a31 a
a
a
a
Х
12
13
2
a
a
a
21
22
23
0.8
cine 0.5
0.3 0.2 0.1
0
0 0.1 0.2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 OS X
Рис. 4. Экспериментальные результаты измерений цветности защитных стекол: а - образец компании «Электростекло» (Россия); б - образец компании «Pilkington» (Великобритания); в - образец компании
«Glaverbel» (Бельгия)
Заключение. В результате работы проведены измерения цветовых параметров защитных стекол (силикатных закаленных) колориметрическим прибором. Проанализированы координаты цветности исследуемых объектов относительно референтных значений эталонов. Полученные экспериментальные результаты доказывают, что защитные стекла (силикатные закаленные) российского производства по фотометрическим параметрам не хуже зарубежных аналогов. Исследование представляет интерес для оптического приборостроения, в частности, колориметрии для научных исследований цветных объектов различного назначения.
Список литературы
1. Юстова Е. Н. Цветовые измерения (Колориметрия). СПб: Издательство СПбГУ. 2000. 397 с.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987.
264 с.
3. Tardy H.L. Matrix method for integrating-sphere calculations // Optical Society of America. 1991. Vol. 8. No. 9. Pp. 1411-1418.
4. Clare J.F. Comparison of four analytic methods for the calculation of irradiance in integrating spheres // Optical Society of America. 1998. Vol. 15. No. 12. Pp. 3086-3096.
5. Pickering J.W., Prahl S.A., Wieringen N.van, Beek J.F., Sterenborg H.J.C.M., Gemert M.J.C.van A Double integrating sphere system for measuring the optical properties of tissue // Applied Optics. 1993. Vol. 32. P. 399-410.
6. Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Математическое моделирование интегрирующей фотометрической сферы с внутренним экраном матричным методом // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып.8. С. 63-69. DOI: 10.24412/2071-61682022-8-63-69.
7. Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Хохлова М.В. Экспериментальное исследование разработанного колориметрического датчика для измерения цветности стекла // Фундаментальные
597
и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 1 (345). C. 131-137. DOI: 10.33979/2073-7408-2021-345-1131-137.
8. Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Фотометрия автомобильных моторных масел // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.6. С. 83-88. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-83-88.
9. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Экспериментальное исследование разработанной спектроколориметрической системы для изучения оптических свойств жидкофазных сред пищевой промышленности // Приборы. 2022. № 3 (261). С.22-28
10. Ансимова Е.В., Фирсанова О.В. Колористика / учебное пособие 2-е изд., перераб. и доп. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2020. 61 с.
11. Лютов В. П. Четверкин П. А., Головастиков Г. Ю. Цветоведение и основы колориметрии / учебник и практикум для вузов 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательство Юрайт, 2023. 224 с.
12. Жбанова В.Л. Вопросы применения цифровой колориметрии в современных научных исследованиях // Светотехника. 2021. №2. С. 5-14.
13. Майоров Е.Е., Шаламай Л.И., Дагаев А.В., Ушакова А.С., Гулиев Р.Б., Хохлова М.В., Цыганкова Г.А., Писарева Е.А. Исследование спектров диффузного отражения образцов белой бумаги автоматизированным RGB колориметром // Приборы и системы. управление, контроль, диагностика. 2019. № 12. C. 14-22 DOI: 10.25791/pribor.12.2019.1062.
14. Майоров Е.Е. Применение колориметрических систем для контроля качества бумажной продукции // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Третья Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2022 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2022. C. 56-58. DOI: 10.31799/978-5-8088-1707-4-2022-3.
15. Майоров Е.Е. Измерение оптических параметров покрасочного слоя колориметрическим прибором // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. № 6. С. 413-419. DOI 10.17586/0021-3454-202265-6-413-419
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, maiorov_ee@mail.ru. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Костин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, доцент, g kostin@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова,
Баранов Николай Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, nbaranov@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А. А. Новикова
APPLICATION OF THE COLORIMETRIC METHOD FOR THE CONTROL OF PROTECTIVE GLASSES OF AIRCRAFT
SEARCHLIGHTS
E.E. Maiorov, G.A. Kostin, T.A. Chernyak, N.E. Baranov
The work to the study of protective glasses of aviation searchlights using the colorimetric method is devoted. Colorimeters have high measurement accuracy, a sufficiently large measurement range and sound automation, therefore, the use of the colorimetric method for monitoring the protective glasses of aviation searchlights is promising and relevant. The paper presents the formulation of the problem and defines the method and obiect of research. The appearance and structural and functional diagram of the device are given, as well as technical characteristics are given. Photometric parameters of the studied protective glasses were obtained, and the developed colorimetric device using three-element diodes fully provided measurements of these parameters at the level of visually distinguishable shades of color.
Key words: protective glass, colorimetry, reference values, analyzer, radiation wavelength, LED, photodiode.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, maiorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kostin Gennady Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, g_kostin@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, 79119113039@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov,
Baranov Nikolay Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, nbaranov@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov
