Группа проектов Кипинфо
Реклама

Реклама

Российская измерительная техника. Приборная серия «ТКА»

К списку статей

Ю.А.Барбар, В.Н.Кузьмин, К.А.Томский

Для обеспечения контроля основных световых параметров источников оптического излучения, а также параметров микроклимата в «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, коррелированной цветовой температуры, яркости, освещенности, коэффициента 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

Нами были разработано два типа измерительных приборов. Первый, так называемый прибор интегрального типа и второй спектрального типа.

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 содержит, как правило, три части, показанные на структурной схеме ФПУ (рис. 1).

ФПУ

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 корригированы под решение заданной задачи. Для люксметра, пульсметра и яркомера используется один фотоприемник, спектральная характеристика которого соответствует относительной световой эффективности V(l). Для колориметра используются фотоприемники, спектральные характеристики которых с помощью светофильтров приведены к виду удельных координат x(l), y(l), `z(l) стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1931г. 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).

Фотоприемное устройство прибора

Устройство для формирования пространственной характеристики принципиально не отличается от устройства, используемого в приборе интегрального типа. Все остальные 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 u’,v’ МКО 1976 г.[1-8].

Спектральная плотность энергетической светимости Меl абсолютно черного тела определялась в соответствии с законом Планка по формуле:

(1)

Координаты цвета АЧТ при данной температуре Т рассчитывались по формулам:

(2)

Где: Фе()·- спектральная плотность потока излучения, k=100/S()·y()·d - нормировочный коэффициент для приведения координаты Y к значению 100. Координаты цветности рассчитывались:

(3) 

Координаты цветности линии АЧТ в системе x, y МКО 1931 г. переводились в равноконтрастную систему u, v МКО 1976 г. по следующим формулам:

Минимальное расстояние в пространстве (4)

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

линии АЧТ

Минимальное расстояние в пространстве u, v между точкой цветности исследуемого источника (u’0, v’0) точками цветности массива линии АЧТ (u’i, v’i) (рис. 3) определялось по формуле

Минимальное расстояние в пространстве (5)

Затем сопоставлялся рассчитанный массив цветности и массив температур АЧТ и определялась температура исследуемого источника Тj, соответствующая определенной точке цветности (uj, vj).

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 – от 315 до 400 нм; УФ-В – от 280 до 315 нм; УФ-С – от 200 до 280 нм.

Для измерения использовалось в основном ФПУ на основе трех широко- зонных фотодиодов (например,GaP), спектральная коррекция чувствительности которых максимально приближалась к П – образной, то есть постоянной чувствительностью в пределах зоны и нечувствительной за ее пределами. 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 высоких точностей измерения ультрафиолетового излучения потребовался принципиально отличный от предыдущего метод и организация измерительного прибора.

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

определения интегральных характеристик излучения (6)

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. ФПУ 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 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:

коэффициент пульсации освещенности (Кп) (7)

где: Емакс. – максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Емин. – минимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еср.- среднее значение освещенности (рис. 4).

среднее значение освещенности

Выборки сигнала осуществляются в течении периода 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. Результат – значения max, min и значение среднего определяются в единицах освещенности лк.

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

Измерители освещенности (люксметры)

Люксметры нового поколения Люксметры нового поколения ТКА-Люкс и ТКА-ПКМ-31 (рис.5) являются в настоящее время самыми востребованными отечественными приборами, имеют метрологические характеристики на уровне лучших мировых производителей рабочих средств измерения. Диапазон измерения освещенности в диапазоне 10 – 200000 лк с погрешностью 6 – 8%.

Люксметр «ТКА – Люкс/Эталон» является первым российским люксметром, метрологические характеристики которого отвечают требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам. Он предназначен для измерения освещённости в видимой области спектра (380 … 760) нм, создаваемой стандартными источниками оптического излучения, расположенными нормально относительно приёмника.

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. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения освещённости прибора не превышает 2,0 %.

Комбинированный прибор Люксметр   Яркомер Комбинированный прибор Люксметр + Яркомер «ТКА-ПКМ мод.02»(рис.6) служит для измерения освещенности в диапазоне 10 – 200000 лк с погрешностью 8% и яркости самосветящихся протяженных объектов накладным способом в диапазоне 10 – 200000 кд/м2 с погрешностью 10%.

Прибор отличается от традиционных яркомеров 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 портативный, малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения (“Hold”). Наводка на измеряемый объект осуществляется с помощью лазерного прицела.

яркомер «ТКА – ЯР» Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируемый 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 град., диапазон измерения 10,0 - 2000,0 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.

Прибор имеет следующие технические характеристики: диапазон измерения коэффициента пульсации от 0 до 100 %, диапазон измерения освещенности 10 – 200000 лк, погрешность измерения не превышает 10 %.

Люксметр «ТКА – Пульс»УФ радиометр «ТКА-ПКМ (12),(13)»

Прибор предназначен для измерения облученности в области спектра (200 – 280) нм – УФ-С, (280 – 315)нм – УФ-В, (315 – 400) нм – УФ-А. 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 Спектрофотоколориметр «ТКА - ВД» (рис. 9) предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат. Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на Спектрофотоколориметр «ТКА - ВД»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.

Недостатком спектрального способа измерения является техническая трудность реализации 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 любые эффективности. 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.).

Подготовлен для аттестации в качестве рабочего эталона энергетической освещенности.

Спектрорадиометр ТКА-ВД/УФКомбинированные 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 возможность самим потребителем выбирать комплексы с нужной комбинацией измеряемых параметров (до 8 в одном приборе) (таб.1). Большой популярностью пользуются приборные комплексы «ТКА-Хранитель» (температура, влажность, освещенность и УФИ), «ТКА-Климат» (температура, влажность, скорость движения воздуха), «ТКА-ТНС» единственный в России прибор, который обеспечивает в режиме реального времени 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. П и Н 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений», показателями, характеризующими качество микроклимата, являются:

  1. Температура воздуха - измеряется в диапазоне от –300С до +500С, с погрешностью ±0,20С. Допускается также проводить измерения температуры воздуха в диапазоне от 00С до +500С с погрешностью ±0,50С.
  2. Температура поверхностей - измеряется в диапазоне от 00С до +500С, с погрешностью ±0,50С. 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 расчетом 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 в корректной эксплуатации психрометров, что приводит к значительным погрешностям в определении значений относительной влажности воздуха.
  4. Скорость движения воздуха - измеряется в диапазоне от 0,1 м/с до 20 м/с, с погрешностями +0,05м/с в поддиапазоне от 0,1 м/с до 0,5 м/с и ±0,1м/с в поддиапазоне выше 0,5 м/с. Для измерения скорости движения воздуха используются анемометры вращательного действия – крыльчатые, вращательные. Малые скорости движения воздуха рекомендовано измерять термоанемометрами и кататермометрами, принцип действия которых заключается в определении охлаждающей силы воздуха на скорость изменения показаний предварительно нагретого до определенной температуры 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 Вт/м2 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 1600 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 (WBGT) – индекс, который определяется на основе величин температуры влажного термометра, температуры внутри черного шара и температуры воздуха. Помимо Сан. П и Н, такой подход регламентирован в гармонизированном ГОСТ Р ИСО-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 применяется 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, содержат 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 м/с 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 теромоанемометры позволяют измерять как мгновенные значения скоростей воздушного потока, так и 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. 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 Ростест) работ при выпуске приборов серии «ТКА». По каждому типу приборов имеется утвержденное метрологическое обеспечение измерений и эталоны соответствующего уровня, госповерка которых ежегодно проводится в уполномоченных организациях Госстандарта РФ. Специалистами центра проводятся консультации по вопросам возможности использования приборов для решения конкретных задач и даются рекомендации по выборы соответствующих приборов. По заданию министерств, ведомств и отдельных заказчиков выполняются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы связанные как с разработкой новых типов приборов, так и исследованиями воздействия физических факторов на материальные объекты и изучением происходящих в связи с этим изменений.

Учебный центр

В учебном центре предприятия проходят обучение и выполняют лабораторные и практические работы по специальности «Светотехника» студенты санкт-петербургских университетов.

Литература:

  1. Джадд Д, Вышецки Г. Цвет в науке и технике. – М. Мир. 1978.
  2. Планк М. Теория теплового излучения. ОНТИ, 1935.
  3. Колориметрия. Публикация МКО № 15.2 (1986).
  4. Международный светотехнический словарь. Публикации МКО № 17.4 (1987).
  5. Методы измерения и спецификация цветового воспроизведения источников света. Публикации МКО № 13.2 (1974).
  6. Новаковский С. В. Цвет в цветном телевидении. М. «Радио и связь», 1988.
  7. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М. Изд – во АН СССР, 1950.
  8. Из истории колориметрических систем, (реферат работы А. Шварца «Geschichte der Farbsysteme» // Светотехника. № 1. 2003.

Таблица 1. Кодификации вариантов исполнения приборов ТКА по составу и числу измеряемых и вычисляемых параметров

Исполнение/комплектация Осве­щён­ность Яркость Энергетич. осве­щённость (УФ) 315-400 нм Энергетич. освещён­ность (УФ) 280-315 нм Энергетич. освещён­ность (УФ) 280-400 нм Энергетич. освещён­ность (УФ) 200-280 нм Темпера­тура Темпера­тура сферы Относитель­ная влажность Скорость движения воздуха Коэфф. пульсации источников света Индекс тепловой нагрузки среды Темп-ра влажного термо­метра Темпе­ратура точки росы

E

L

UV-A

UV-B

UV-A+B

UV-C

t

t сф*

RH

V

Kп

ТНС

t вл

t тр

лк

Кд/м2

мВт/м2

мВт/м2

мВт/м2

мВт/м2

°C

°C

%

м/с

%

°C

°C

°C

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) * *                 *      


Оценить статью

Средняя оценка: 3.5


1

2

3

4

5

Реклама


Реклама


Реклама

Реклама


Яндекс цитирования Яндекс.Метрика Яндекс.Метрика
© 2006-2013 Kipinfo.ru
При использовании информации ссылка на сайт “Kipinfo” обязательна.
Контактная информация Размещение рекламы
16+