Российские измерительные приборы. Приборная серия тка Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Российская измерительная техника.

Приборная серия ТКА

Константин ТОМСКИИ, д. т. н., профессор Владимир КУЗЬМИН, д. т. н. Юрий БАРБАР,

Для обеспечения контроля основных световых параметров источников оптического излучения, а также параметров микроклимата на научно-техническом предприятии «ТКА» разработаны надежные, малогабаритные, серийно производимые измерительные приборы в ранге рабочих средств измерений и рабочих эталонов с соответствующим метрологическим и методическим обеспечением. Необходимость оперативного и достоверного измерения основных световых параметров источников излучения в видимой области спектра, таких как координаты цветности, коррелированная цветовая температура, яркость, освещенность, коэффициент пульсации и облученности в УФ-области спектра, создаваемой этими источниками, очевидна. Она продиктована бурным развитием альтернативных источников оптического излучения (светодиодов), появлением различных вариантов дисплеев, световых табло, а также технологическими процессами, использующими источники оптического излучения.

Общая концепция построения приборов

Авторы разработали измерительные приборы двух типов: интегрального и спектрального.

Фотоприемные устройства (ФПУ), являясь основной частью прибора интегрального типа для измерения оптического излучения, должны отвечать ряду электрических и фотометрических требований, зависящих от области применения и назначения. Фотоприемное устройство состоит, как правило, из трех частей, что показано на структурной схеме ФПУ (рис. 1)

Устройство для формирования пространственной характеристики может быть выполнено в виде «косинусной насадки» или объектива, формирующего заданный угол зрения.

Преобразователь оптического излучения в электрический сигнал может состоять из одного или нескольких фотоприемников, спектральные характеристики которых корри-

гированы под решение заданной задачи. Для люксметра, пульсметра и яркомера используется фотоприемник, спектральная характеристика которого соответствует относительной световой эффективности У(Х). Для колориметра используются фотоприемники со спектральными характеристиками, с помощью светофильтров приведенными к виду удельных координат ж(X), у(X), г(X) стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1931 г. или 1964 г. Для работы в ультрафиолетовой области спектральные характеристики приемников максимально приближают к П-образному виду или к заданной эффективности.

Фотоприемное устройство прибора спектрального типа несколько отличается от приборов интегрального типа (рис. 2).

Устройство для формирования пространственной характеристики принципиально не отличается от устройства, используемого в приборе интегрального типа. Все осталь-

ные функциональные узлы существенно разнятся используемыми элементами и принципами работы.

Излучение исследуемого источника, пройдя отделение для формирования пространственной характеристики, попадает в диспергирующее устройство. Устройство представляет собой полихроматор с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон обусловлен характером поставленных задач.

При определении коррелированной цветовой температуры применяется переход от системы цветовых координат (х, у) МКО 1931 г. в более равноконтрастную систему (и', V') МКО 1976 г. [1-8].

Спектральная плотность энергетической светимости МеХ [Вт/м3] абсолютно черного тела (АЧТ) определялась в соответствии с законом Планка по формуле:

ые% = сдае^м)). (1)

Рис. 1. Структурная схема ФПУ прибора интегрального типа:

1 — устройство для формирования пространственной характеристики;

2 — корригирующее устройство; 3 — преобразователь

Рис. 2. Структурная схема ФПУ прибора спектрального типа

Координаты цвета АЧТ при данной температуре Т рассчитывались по формулам:

где ФеХ(Х) — спектральная плотность потока излучения, к = 100І5(Х)ху(Х)хй X — нормировочный коэффициент для приведения координаты У к значению 100.

Координаты цветности рассчитывались таким образом:

х = Х](Х+У+Г), у = УКХ+У+Х). (3)

Координаты цветности линии АЧТ в системе х, у МКО 1931 г. переводились в равноконтрастную систему и' , V ' МКО 1976 г. по следующим формулам:

и' = 4х/(-2х+12у+3),

V' = 9у/(-2х+12у +3). (4)

Такой же пересчет цветности производился для исследуемого источника излучения. Затем определялся массив координат цветности АЧТ и соответствующий массив температур.

v’

0,4

0,35 0,3 0,25

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

и’

Рис. 3. Линия АЧТ в системе цветовых координат ^ , v'

Минимальное расстояние в пространстве и, V между точкой цветности исследуемого источника (и0, v¿) и точками цветности массива линии АЧТ (и'•, V') (рис. 3) определялось по формуле:

А = ^[(м0- и' )2+К- V')2]. (5)

Затем сопоставлялся рассчитанный массив цветности и массив температур АЧТ и определялась температура исследуемого источника Т', соответствующая определенной точке цветности (и, V').

Выбор метода определения энергетических характеристик источников ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение в 1963 году международная комиссия по освещению

(МКО) предложила разделить на три зоны со следующими границами между ними:

• УФ-А — 315-400 нм;

• УФ-В — 280-315 нм;

• УФ-С — 200-280 нм.

Для измерения использовалось в основном ФПУ на основе трех широкозонных фотодиодов (например, ОаР), спектральная коррекция чувствительности которых максимально приближалась к П-образной. Изначально было понятно, что идеальной коррекции чувствительности фотодиодов достигнуть не удастся из-за ограниченной номенклатуры цветных стекол. Приборы на основе таких фотоприемников обычно имеют повышенную погрешность, определяемую коррекцией, и, как следствие, ограничение по применению. Для достижения более высокой точности измерения ультрафиолетового излучения потребовались принципиально отличные от предыдущих метод и организация измерительного прибора.

Искомый поток излучения можно получить, интегрируя функцию спектральной плотности в заданном спектральном диапазоне:

Х2

фе=1фЛШ^. (6)

XI

Такой путь определения интегральных характеристик излучения через интегрирование функции спектральной плотности в ультрафиолетовой области спектра решает многие проблемы, присущие приборам классического типа. Он дает возможность отказаться от коррекции спектральной чувствительности фотоприемников цветными стеклами и тем самым свести к минимуму суммарную погрешность измерения излучения. Фотопри-емное устройство при этом принципиально ничем не отличается от спектрального типа, рассмотренного выше. Остались определенные трудности с выбором материалов и фотодиодной линейки для работы в ультрафиолетовой области спектра, но они в настоящее время известны и преодолимы.

Измерение коэффициента пульсации источников излучения

Излучение газоразрядных ламп и ламп накаливания при питании от сети переменного тока (как правило, с частотой 50 Гц) является пульсирующим. Частота пульсации при этом равна удвоенной частоте питающего напряжения, то есть 100 Гц. В качестве критерия оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников излучения при питании их переменным током введен коэффициент пульсации освещенности (Кп), выражаемый формулой:

Кп = №maX-£min)/2Д;í,xl00%, (7)

где Етах — максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности,

Е А

Максимальная

Рис. 4. Временная характеристика пульсирующей освещенности

Ел — минимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еср — среднее значение освещенности (рис. 4).

Выборки сигнала осуществляются в течение 10 мс. За это время выбираются максимальное, минимальное и среднее значения. Обработка сигнала ведется не синфазно периодам колебаний. В процессе измерения производится анализ нескольких периодов, и значения результатов выборок усредняются. В итоге значения max, min и значение среднего определяются в единицах освещенности (люксах).

После нахождения параметров сигнала по формуле (7) вычисляется значение коэффициента пульсации.

Измерители освещенности (люксметры)

Люксметры нового поколения «ТКА-Люкс» (рис. 5) и ТКА-ПКМ-31 являются в настоящее время самыми востребованными отечественными приборами, имеют метрологические характеристики на уровне лучших производимых в мире рабочих средств измерения. Диапазон измерения освещенности составляет 10-200 000 лк с погрешностью 6-8%.

«ТКА-Люкс/Эталон» является первым российским люксметром, метрологические харак-

Рис. 5. Внешний вид люксметра «ТКА-Люкс»

теристики которого отвечают требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам. Он предназначен для измерения освещенности в видимой области спектра 380-760 нм, создаваемой стандартными источниками оптического излучения, расположенными нормально относительно приемника.

Люксметр предназначен для практической реализации Государственной поверочной схемы для средств измерений световых величин в соответствии с ГОСТ 8.023-2000. Этот прибор по точности воспроизведения и передачи размеров единиц силы света и освещенности обеспечивает метрику прецизионных и рабочих средств измерений и отличается временной стабильностью и достоверностью. Допускаемая погрешность измерения освещенности прибором не превышает 2%.

Комбинированный прибор люксметр + яркомер ТКА-ПКМ мод. 02 (рис. 6) служит для измерения освещенности в диапазоне 10-200 000 лк с погрешностью 8% и яркости са-мосветящихся протяженных объектов накладным способом в диапазоне 10-200 000 кд/м2 с погрешностью 10%.

Рис. 6. Внешний вид люксметра-яркомера ТКА-ПКМ

Прибор отличается от традиционных яр-комеров отсутствием оптических элементов (линзы, объектива) в схеме, что значительно упрощает конструкцию и удешевляет стоимость прибора при сохранении его точностных характеристик. Измерение яркости при этом производится накладным способом.

Для дистанционного определения яркости протяженных источников разработан недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям прибор для измерения яркости киноэкранов яркомер ТКА-ЯР (рис. 7), представляющий собой портативное, малогабаритное устройство с автономным питанием, снабженное функцией запоминания результата измерения (Hold). Наводка на измеряемый объект осуществляется с помощью лазерного прицела.

с Яраомер “ТКА • ЯР-

•м Зз -ГХ 1 . п

С™)

Рис. 7. Внешний вид яркомера ТКА-ЯР

Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируе-мый объектив. Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций. При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния.

Прибор имеет следующие технические характеристики: угол зрения 1,0—1,5°, диапазон измерения 10-2000 кд/м2, спектральная коррекция 2,0%, суммарная погрешность 10,0%, расстояние до измеряемого объекта — не менее 7,0 м.

Прибор для определения коэффициента пульсации источников излучения и освещенности пульсметр-люксметр «ТКА-Пульс» (рис. 8), обработка информации в котором осуществляется микропроцессором, имеет следующие технические характеристики: диапазон измерения коэффициента пульсации 0-100%, ди-

Рис. 8. Внешний вид пульсметра-люксметра «ТКА-Пульс»

апазон измерения освещенности 10-200 000 лк, погрешность измерения не превышает 10%.

УФ-радиометр ТКА-ПКМ (12), (13)

Прибор (рис. 9) предназначен для измерения облученности в области спектра:

• 200-280 нм;

• 280-315 нм;

• 315-400 нм.

Трехканальное исполнение измерительного прибора повышает оперативность измерения излучения. Погрешность прибора, определяемая коррекцией спектральной характеристики фотоприемника, имеет значение порядка 10%. Суммарная погрешность серийно выпускаемого прибора равна 17%. Величина этой погрешности зависит не только от метрологических характеристик самого прибора, но и от состояния метрологического обеспечения измерений. Рабочие эталоны в ультрафиолетовой области спектра, используемые при аттестации рабочих средств измерения, имеют, к сожалению, погрешность около 8%.

Прибор спектрального типа — спектрофо-токолориметр ТКА-ВД — предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат.

Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора — 380-760 нм. Диапазон линейности сигналов достигает шести порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Спектральное разрешение прибора не превышает 3 нм.

Рис. 9. Общий вид УФ-радиометра ТКА-ПКМ

Рис. 10. Внешний вид спектрометра ТКА-ВД

Недостатком спектрального способа измерения являются технические трудности при использовании измерительного прибора. В то же время, нужно заметить, что знание спектрального состава исследуемого источника оптического излучения позволяет решить практически все колориметрические и другие фотометрические задачи, стоящие перед исследователем. Современные методы обработки информации дают возможность смоделировать с достаточной точностью любую эффективность. Спектрометрический метод определения эффективных и интегральных радиометрических величин (колориметрия и УФ-радиометрия) позволяет решить задачу промышленного прецизионного приборостроения на основе современных полупроводниковых ФПУ (линейки, ПЗС-матрицы).

Спектрорадиометр ТКА-ВД/УФ (рис. 10) позволяет получить интегральные значения УФИ в любой заданной спектральной области, а также выполнить расчет приведения к функции любой эффективной величины (эритемной, бактерицидной и т. п.). Прибор подготовлен для аттестации в качестве рабочего эталона энергетической освещенности.

Комбинированные приборы и приборные комплексы

Одновременное измерение нескольких климатических и фотометрических параметров образует основу интегральной стратегии управления микроклиматом. В связи с этим особым достоинством приборной серии ТКА является то, что потребитель имеет возможность сам выбирать комплексы с нужной комбинацией измеряемых параметров (до 8 в одном приборе) (таблица). Большой популярностью пользуются приборные комплексы «ТКА-Хранитель» (температура, влажность, освещенность и УФИ), «ТКА-Кли-мат» (температура, влажность, скорость дви-

Таблица. Кодификации вариантов исполнения приборов ТКА по составу и числу измеряемых и вычисляемых параметров

Исполнение/ комплектация Освещенность Яркость Энергетич. освещенность (УФ) 315-400 нм Энергетич. освещенность (УФ) 280-315 нм Энергетич. освещенность (УФ) 280-400 нм Энергетич. освещенность (УФ) 200-280 нм Температура Температура сферы Относительная влажность Скорость движения воздуха Коэфф. пульсации источников В света ч Индекс тепло- я вой нагрузки м среды = Температура р влажного м термометра ет р «г Температура «точки росы»

Е L иУ-А иу-в иУ-А+В иу-с ^сф* У Кп ТНС *вл ч

лк кд/м2 мВт/м2 мВт/м2 мВт/м2 мВт/м2 °С °С % м/с % °С °С °С

ТКА-Люкс •

ТКА-ПКМ(31) •

ТКА-ПКМ(02) • •

ТКА-ПКМ(06) • •

ТКА-ПКМ(08) • •

ТКА-ПКМ(12) • • •

ТКА-ПКМ(12/А) •

ТКА-ПКМ(12/В) •

ТКА-ПКМ(12/С) •

ТКА-ПКМ(12/А,В) •

ТКА-ПКМ(13) • • •

ТКА-ПКМ(13/С) •

ТКА-ПКМ(20) • +ЧШ •

ТКА-ПКМ(23) • +ЧШ • • •

ТКА-ПКМ(24) • • • • • •

ТКА-ПКМ(41) • • • +ЧШ •

ТКА-ПКМ(42) • • • +ЧШ •

ТКА-ПКМ(43) • • +ЧШ •

ТКА-ПКМ(50) •

ТКА-ПКМ(52) • •

ТКА-ПКМ(60) • • • • •

ТКА-ПКМ(61) • • • • • • •

ТКА-ПКМ(62) • • • • • • •

ТКА-ПКМ(63) • • • • • •

ТКА-ПКМ(65) • • • • • • • •

ТКА-ПКМ(82) • • •

жения воздуха), ТКА-ТНС — единственный в России прибор, который обеспечивает измерение и отображение в режиме реального времени температуры и влажности воздуха, температуры внутри черного шара, температуры влажного термометра, температуры «точки росы» и значений интегрального показателя тепловой нагрузки среды — ТНС-индекса.

Помимо решения задач в области технологических измерений, приборный парк ТКА обеспечивает измерения световых и климатических параметров в производственных помещениях и на рабочих местах. Согласно требованиям санитарных норм и правил Сан-ПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений», показателями, характеризующими качество микроклимата, являются:

1. Температура воздуха — измеряется в диапазоне -30.. .+50 °С с погрешностью ±0,2 °С. Допускается также проведение измерений температуры воздуха в диапазоне 0.+50 °С с погрешностью ±0,5 °С.

2. Температура поверхностей — измеряется в диапазоне 0...+50 °С с погрешностью ±0,5 °С. Для ее определения используются контактные электротермометры либо дистанционные приборы (пирометры). Для оценки усредненных величин температуры окружающих поверхностей допускается также применять зачерненные шаровые термометры с последующим расче-

том средней температуры излучения (называемой также средней радиационной температурой). При этом обычно используют зачерненные тонкостенные металлические шары диаметром не менее 90 мм со степенью черноты не менее 0,95.

3. Относительная влажность воздуха — измеряется в диапазоне от 10% до 90% с погрешностью ±5% относительной влажности. Для измерения температуры и относительной влажности воздуха используются психрометры и электронные термогигрометры, причем психрометры постепенно вытесняются с рынка различными типами термогигрометров в силу сложности корректной эксплуатации психрометров, что приводит к значительным погрешностям в определении значений относительной влажности воздуха.

4. Скорость движения воздуха — измеряется в диапазоне от 0,1 до 20 м/с с погрешностями +0,05 м/с в поддиапазоне от 0,1 до 0,5 м/с и ±0,1 м/с в поддиапазоне выше 0,5 м/с. Для измерения скорости движения воздуха используются анемометры вращательного действия — крыльчатые, вращательные. Малые скорости движения воздуха рекомендуется измерять термоанемометрами и кататермометрами, принцип действия которых заключается в определении действия охлаждающей силы воздуха на скорость изменения показаний предварительно нагретого до определенной темпе-

ратуры чувствительного элемента измерительной системы. Используются также, в незначительной степени, ультразвуковые и допплер-лазерные термоанемометры. Основной парк приборов состоит из портативных термоанемометров в микропроцессорном исполнении.

5. Интенсивность теплового излучения (облучения) — измеряется в диапазоне от 10 до 350 Вт/м2 с погрешностью ±5 Вт/м2 и в диапазоне выше 350 Вт/м2 с погрешностью ±50 Вт/м2. Для измерения этого параметра используются приборы, обеспечивающие угол обзора, близкий к полусфере, не менее 160° и чувствительные в инфракрасной и видимой области спектра оптического излучения: актинометры, радиометры. Возможно также использование черного шарового термометра при измерении стационарных тепловых потоков. При этом процедура заключается в измерении температуры внутри черного шара и дальнейшем вычислении значений средней температуры излучения и собственно величины интенсивности (плотности) теплового потока.

6. Для комплексной оценки воздействия на организм человека всех факторов микроклимата используется также ТНС ^ВОТ) — индекс, который определяется на основе величин температуры влажного термометра, температуры внутри черного шара и температуры воздуха. Помимо СанПиН, такой подход регламентирован в гармонизированном ГОСТ РИС0-7243-2007 [Расчет тепловой нагрузки на работающего человека, основанный на показателе WBGT (температура влажного шарика психрометра)], введенном в действие на территории РФ в 2008 году и все более широко применяемом в производственных условиях для оценки теплового перегрева человека в горячей окружающей среде. Термогигрометры серии ТКА обеспечивают измерения температуры и относительной влажности воздуха, обладают высокими эксплуатационными характеристиками, имеют в своем составе прецизионные твердотельные датчики влажности и высокостабильные платиновые датчики температуры, могут комплектоваться, по отдельному заказу, черным шаром диаметром 90 мм — модель ТКА-ПКМ-20 (рис. 11), модель ТКА-ПКМ-23 (рис. 12) может комплектоваться интерфейсом для связи с внешними устройствами.

Термоанемометры серии ТКА работают в диапазоне скоростей воздуха от 0,1 до 20 м/с, построены по микропроцессорной технологии, содержат оригинальный измерительный зонд, встроенный интерфейс связи и оснащены аккумуляторной батареей в комплекте с зарядным устройством. Эти термоанемометры позволяют измерять мгновенные значения скоростей воздушного потока, а также производить усреднение показаний за период времени 100 с модели (ТКА-ПКМ-50, 52) (рис. 13).

Модель ТКА-ПКМ-24 (рис. 14) — это единственный в России прибор, который обеспечивает измерение и отображение в режиме реального времени температуры и влажности воздуха, температуры внутри черного шара, температуры влажного термометра, температуры «точки росы», значений интегральных показателей тепловой нагрузки среды — ТНС и WBGT индексов.

Рис. 11. Внешний вид термогигрометра ТКА-ПКМ-20

Рис. 12. Внешний вид термогигрометра ТКА-ПКМ-23

Рис. 13. Общий вид термоанемометра ТКА-ПКМ-50, 52

Рис. 14. Общий вид термогидрометра ТКА-ПКМ-24

В этом приборе предусмотрено также вычисление и отображение на дисплее значений средней температуры излучения и интенсивности теплового облучения. Прибор оснащен встроенным интерфейсом связи. Поставляется в комплекте с черным шаром, штативом, кабелем связи с ПК, программным обеспечением. Модель ТКА-ПКМ-65 не имеет аналогов по количеству измеряемых параметров — их в приборе 8.

Научно-калибровочный центр (НКЦ)

НКЦ предприятия «ТКА» оснащен современным, в том числе уникальным, оборудованием, которое обеспечивает проведение калибровочных и поверочных (силами Ростеста)

работ при выпуске приборов серии ТКА. По каждому типу приборов имеется утвержденное метрологическое обеспечение измерений и эталоны соответствующего уровня, гос-поверка которых ежегодно проводится в уполномоченных организациях Госстандарта РФ. Специалисты центра проводят консультации по вопросам возможности использования приборов для решения конкретных задач и дают рекомендации по выбору соответствующих приборов. По заданию министерств, ведомств и отдельных заказчиков выполняются научноисследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные как с разработкой новых типов приборов, так и с исследованиями воздействия физических факторов на материальные объекты и изучением происходящих в связи с этим изменений. ■

Литература

1. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир, 1978.

2. Планк М. Теория теплового излучения. ОНТИ, 1935.

3. Колориметрия // Публикации МКО. 1986. № 15.2.

4. Международный светотехнический словарь // Публикации МКО. 1987. № 17.4.

5. Методы измерения и спецификация цветового воспроизведения источников света // Публикации МКО. 1974. № 13.2.

6. Новаковский С. В. Цвет в цветном телевидении. М.: «Радио и связь», 1988.

7. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М.: Издательство АН СССР, 1950.

8. Из истории колориметрических систем (реферат работы А. Шварца “Geschichte der Farbsys-teme”) // Светотехника. 2003. № 1.