Дифузний випромінювач змінної яскравості

Якщо основним завданням ДВ є створення яскравісного поля з високою рівномірністю, то не слід використовувати високовідбиваючі покриття в комбінації з випромінювачами, що мають вузьку індикатрису і великий відносний отвір.

Найбільш ефективною мірою зменшення нерівномірності яскравості вихідної зіниці є підбір джерел випромінювання з мінімальними розмірами тіла розжарювання і ширококутною індикатрисою. Відносний отвір має бути мінімальний можливим.

Для точнішого аналізу і при використанні будь-яких джерел випромінювання слід використати формули (3.7),(3.11) і(3.14), а функцію з (ц,х) визначати експериментально. Проте, як показала практика, зроблені висновки залишаються справедливими.

Спектральна характеристика дифузного випромінювача

Спектральна характеристика дифузного випромінювача формується в основному під дією трьох чинників - спектральної характеристики джерел випромінювання, спектральної характеристики покриття і кількості ефективних відбиттів від стінок інтегруючої сфери.

Відмітимо, що остання обставина часто не враховується, що призводить до погрішностей обчислення спектральної щільності енергетичної яскравості (СЩЕЯ) вихідної зіниці. На рис. 1.1 та 1.2 показані спектральні характеристики покриттів, найчастіше використовуваних в кульових фотометрах і ДВ, і на рис. 3.3 - СЩЭЯ вихідної зіниці розрахована з використанням (3.18) при заміні інтегральних значень іФ₀ на спектральні(л) и Ф₀(л). При цьому спектральна характеристика джерел випромінювання розраховувалася за звичайною методикою, але з урахуванням поправок, визначених за реально виміряними характеристиками деяких ламп розжарювання.

Рис. 3.3а

.

Рис. 3.3 б

Рис. 3.3в

Рис. 3.3 г

Виконані дослідження дозволяють зробити ряд практичних висновків.

Кращіфотометричні характеристики має покриття з пресованого порошку сірчанокислого барію, але це покриття недостатньо стійке до механічних впливів і швидко (напротязі декількох місяців) помітно змінює свої властивості. Тому, якщо цифровий оптичний мікроскоп використовується для виміру і порівняння оптичних характеристик зразків, застосування цього покриття небажане.

Високою стабільністю і досить хорошими фотометричними властивостями відрізняються покриття на основі сірчанокислого барію в етилцелюлозі (для видимої ІЧ області) і покриття з обробленого алюмінію (ближня ІЧ- і видима області). Дуже перспективним для дифузних випромінювачів є покриття з прессованого політетрафторетилену, що мають коефіцієнт відбиття більше 99% від ультрафіолетової до ближньої інфрачервоної області і відрізняється хорошою стабільністю, але його технологія в Україні поки що не освоєна.

Враховуючи малий термін служби галогенних ламп, найбільш прийнятних для ДВ з фотометричних міркувань, вони зазвичай експлуатуються при зниженій напрузі. Аналіз спектральної щільності енергетичної яскравості вихідної зіниці при різних температурах випромінювачів показав, що навіть при використанні найменш селективних покриттів це призводить не лише до кількісної, але і до якісної зміни спектру випромінювання вихідної зіниці, облік якого тільки на основі законів теплового випромінювання, очевидно є некоректним. Розглянемо ще одно явище, яке до теперішнього часу взагалі не враховувалося розробниками ДВ і призводило до значних погрішностей при розрахунку СЩЕЯ. Йдеться про селективне поглинання випромінювання в середовищі, що заповнює ДВ, особливо відчутному у ближній ІЧ області, де знаходяться спектри поглинання багатьох газів.

Отримаємо основні співвідношення, що описують ці явища скориставшись схемою, показаною на рис. 3.4. Для простоти декілька змінимо методику розрахунку додаткових освітленостей, описану вище.

Рис. 3.4 До виведення формули про вплив поглинання випромінювання в середовищі, що заповнює ДВ

Нехай в центрі сфери розташовано джерело випромінювання, яке випромінює рівномірно на всіх напрямках потік Ф₀. Якщо сфера заповнена поглинаючим середовищем з показником поглинання б і концентрацією С, то випромінювач створить освітленість E₀, рівну:

Стінки сфери стають при цьому вторинним випромінювачем, що створює першу додаткову освітленість . Для визначення розіб'ємо усю поверхню сфери на елементарні кільцеві зони dA площинами, перпендикулярними діаметру MM', який проходить через довільну вибрану точку M. Освітленість в цій точці, що створюється елементарною зоною dA буде рівна:

З врахуванням, що, и отримуємо:

Інтегруючи () від 0 до, отримаємо першу додаткову освітленість в точці М від всієї поверхні сфери:

При цьому ми вважаємо, що відбиття від внутрішньої поверхні сфери підкоряється закону Ламберта і не залежить від властивостей середовища, що заповнює сферу.

Аналогічно можна показати, що перша додаткова освітленість при повторному відбитті від стінок створить в точці М другу додаткову освітленість E₂:

і так далі, до нескінченності:

Сумарная освітленність стінки сфер :



Для малих значень бC, що зазвичай виконується в ДИ, розкладаючи в ряд показову функцію і обмежуючись трьома членами, отримуємо:

Отримані вирази справедливі для ДВ без отворів, що, проте, легко враховується при використанні методики, описаної вище.

Приймаючи в (3.26) б=0, отримуємо відомий вираз для порожньої інтегруючої сфери:

Для оцінки величини поглинання випромінювання в ДВ, заповненому середовищем, введемо коефіцієнт поглинання ДВ :

де - яскравістьвихідноїзіниці «порожнього» ДВ, а - яскравістьвихідноїзіниціпри наявності поглинаючого середовища ДВ.

З використанням (3.26) і (3.27) отримаємо:

Вираз () показує, що навіть за наявності дуже слабо поглинаючого середовища (б?10) і незначній концентрації (C?1%) яскравість вихідної зіниці в смузі поглинання зменшується майже в 2 рази. Застосування високовідбиваючих покриттів збільшить це значення на порядок, що робить абсолютно необхідним врахування описаного явища при розрахунку і вимірі СЩЕЯ.

3.2 Теорія ДВЗЯ

3.2.1 Формування яскравості поля у вихідній апертурі ДВЗЯ

При рішенні задачі опису і аналізу яскравісного поля зформованого вихідною апертурою ДВЗЯ, необхідно враховувати:

а. Завдання є багатопараметричним, причому зв'язок між параметрами є складним і часто непрямим;

б. Частини параметрів ДВЗЯ (коефіцієнт яскравості і спектральна характеристика покриття; розташування і конструктивні особливості джерел випромінювання, їх арматура і методи установки і так далі) не мають аналітичного вираження;

в. Більшість параметрів мають схемотехнічні і конструктивні обмеження, які складно безпосередньо врахувати в аналітичних виразах.

У зв'язку з цим, для енергетичного аналізу ДВЗЯ був використаний чисельно-аналітичний метод, при якому частина залежностей встановлювалася розрахунками, частина конструктивним опрацюванням і схемотехнічним моделюванням, а частина отримана аналітично. Окрім цього, аналіз виконувався в два етапи - спочатку були вивчені загальні наближені закономірності, і потім після конструктивної і схемотехнічної корекції, було проведено точніше і детальніше слідування.

Конструктивна схема показана на рис. 3.5., а його розрахункова схема на рис. 3.6



Рис. 3.5 Конструктивна схема ДВЗЯ

Рис. 3.6 Розрахункова схема ДВЗЯ

Освітленість внутрішньої поверхні первинної інтегруючої сфери E₁ визначається виразом:

де: - кількість джерел випромінювання в первинній сфері;

- потік випромінювання від одного джерела випромінювання;

-діаметр первинної сфери;

- інтегральний коефіцієнт відбиття поверхні первинної сфери;

площа вихідної апертури (калібрувальної діафрагми) первинної сфери;

розраховується як площа сферичного сегменту:

де - діаметр калібрувальної діафрагми.

Потік випромінювання, що поступає з первинної сфери у вторинну визначається з виразу:

(3.32)

Потік випромінювання, що поступає у вторинну сферу від декількох первинних сфер пропорційний сумарній площі усіх калібрувальних діафрагм і знаходиться аналогічно.

Тоді освітленість внутрішньої поверхні вторинної інтегруючої сфери буде рівна:

(3.23)

де кількість первинних сфер;

площа і діаметр вторинної сфери відповідно;

інтегральний коефіцієнт відбиття вторинної сфери;

сумарна площа калібрувальних діафрагм;

площа і діаметр вихідної апертури вторинної сфери відповідно;

Площа вихідної апертури розраховується як площа сферичного сегменту:

Тоді яскравість вихідної апертури, вважаючи вторинну інтегруючу сферу ламбертовським випромінювачем, визначається виразом:

Спектр випромінювання ДВЗЯ визначається аналогічним виразом, але з урахуванням спектральних характеристик джерел випромінювання і покриттів первинної і вторинної сфер - , , и, відповідно.

Графіки спектральних характеристик покриттів ДИПЯ на основі сірчанокислого барія, Sprctralon і Infragold показані на рис.1.1 та 1.2.

Як джерела випромінювання приймалися галогенні лампи з температурою тіла розжарення 3200К.

3.2.2 Енергетичний баланс дифузного випромінювача змінної яскравості

Одночасно з випромінюванням потоку з первинної сфери у вторинну відбувається зворотний процес - випромінювання потоку з вторинної сфери в первинну. Тобто система первинних сфер і вторинна сфера знаходяться в стані постійного обміну енергією через калібрувальні діафрагми що, звісно, істотно впливає на формування сумарного яскравісного поля на виході ДВЗЯ. Розглянемо цей процес детальніше, скориставшись моделлю випромінювача, представленою на рис. 3.7. Для простоти вважатимемо, що ДВЗЯ складається з двох сфер - первинної, площа якої эквивалентна площам усіх первинних сфер випромінювача і вторинної, з площею , зв'язаною з первинною через калібрувальну діафрагму, площа якої дорівнює площі усіх калібрувальних діафрагм. Площа вихідної апертури ДИПЯ рівна .При виведенні формул, що описують енергетичний баланс випромінювача використовуватимемо індекс (1) в позначеннях, що відносяться до первинної, і індекс (2) - вторинної сфери. Поєднання індексів (12) і (21) означатимуть направлення потоку випромінювання з первинної сфери у вторинну і, відповідно, навпаки.

Рис. 3.7 Розрахункова схема енергетичного балансу ДВЗЯ

Якщо Ф - потік, що випромінюється джерелами випромінювання в первинній сфері, то її нульова освітленість за умови рівномірного розподілу випромінювання по поверхні сфери рівна:

Перша сумарна освітленість первинної сфери , з урахуванням площі калібрувальної діафрагми знаходиться з виразу:

де скоэффициент відбиття внутрішньої поверхні сфер.

Первинний потік, що поступає з первинної сфери у вторинну через калібрувальну діафрагму рівний:

Перша освітленість вторинної сфери, утворена потоком визначиться з виразу:

Освітленість вторинної сфери формує потік випромінювання , що поступає з вторинної сфери в первинну:

Друга (додаткова) освітленість первинної сфери, утворена потоком рівна:

Другий потік, що повертається з первинної сфери в вторинну:

Друга (додаткова) освітленість вторинної сфери рівна:

Міркуючи аналогічно, отримаємо:

І так до нескінченності.

Повна освітленість вторинної сфери визначається сумою усіх освітленостей:



Виносячи множники

отримаємо геометричну прогресію:

Зі знаменником:

І остаточно:



Величина додаткової освітленостіскладе:

Виконавши сумування, і знаходячи суму геометричної прогресії за описаною вище процедурою отримаємо:

Щоб визначити вклад додаткової освітленості у величину вихідної яскравості ДВЗЯ, розділимо (3.44) на (3.42). В результаті отримуємо:

Очевидно, що величина додаткової освітленості передусім залежить від розмірів калібрувальної діафрагми і коефіцієнта відображення покриттів інтегруючих сфер. Графіки, враховуючі ці чинники, представлені на рис. 3.8.

Чисельна оцінка величини додаткової освітленості, виконана стосовно розглянутого раніше варіанту ДВЗЯ для калібрування ЦВС "Egyptsat-1" показала, що в найбільш сприятливому випадку () відношення знаходиться в межах 0.12…0.15, але швидко зменшується зі зменшенням .

Рис. 3.8 Графіки залежності величини додаткової освітленості від розмірів калібровочної діафрагми

Висновки до розділу 3

Таким чином для точного визначення вихідної яскравості ДВЗЯ в режимі максимального розкриття калібрувальних діафрагм прийнятніше використати вираз (3.38), а для робочих оцінок, при середніх значеннях вихідні яскравості, цілком допустимо користуватися (3.33).



РОЗДІЛ 4. ГАБАРИТНО-ЕНЕРГЕТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК

4.1 Розрахункове дослідження ДВЗЯ

На основі проведеного аналітичного синтезу та аналізу інформації, зсилаючись на [6, 7, 8] було виконано розрахункове дослідження ДВЗЯ (текст та результати повного дослідження наведено в додатку 3).

Метою даного розрахункового дослідження було знаходження найбільш доцільних з конструкторської точки зору, найвигідніших з економічної, та найефективніших з точки зору енергетики характеристик та параметрів приладу.

Як вихідні дані, для дослідження були задані рекомендовані значення параметрів ДВЗЯ:

§ =0.25 мм - діаметр вихідного отвору;

§ -відношення діаметра вихідної апертури до діаметра вторинної сфери;

§ -коефіцієнт випромінювання (енергетичний параметр Р);

§ - кількість первинних випромінювачів;

§ - відношення діаметра відносного отвору до діаметра первинної сфери;

§ -коефіцієнт заповнення;

§ - оптичний потік, створений джерелом випромінювання.

Для уточнення цих параметрів й було проведено розрахункове дослідження ДВЗЯ.

Дослідження проводиться за спрощеними залежностями, вказаними в [6].

Кінцевим результатом кожного розрахунку проведеного в даному дослідженні буде - яскравість на виході ДВЗЯ, [], залежна від тих чи інших вихідних параметрів.

Було розраховано для наступних варіантів значень вихідних параметрів:

ь =0.1,=3,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=3,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=5,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.1,=7,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=3,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=5,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =0.5,=7,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=3,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=5,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=10, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=10, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=10, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=20, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=20, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=20, =0.3, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=30, =0.2, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=30, =0.25, інші значення - рекомендовані;

ь =1.0,=7,=30, =0.3, інші значення - рекомендовані;

В результаті, отримане було проаналізовано, та побудовано графіки таких впливових на результат залежностей:

· Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносоного отвору первинної сфери G1=Dkmax/D1 (при Ki=0.5, D0/D2=1/4, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору ДВЗЯG=D0/D2 (при Ki=0.5, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність яскравості на виході ДВЗЯ (Lв) від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність діаметра вторинної сфери D2 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність діаметра первинної сфери D1 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність діаметра каліброваної діафрагми Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність кількості джерел випромінювання в первинній сфері Nii від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

· Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від коефіцієнта заповнення первинної сфери Kz (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Ki=0.5), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

Графіки отриманих залежностей приведено нижче, а вихідні дані, для їх побудови, та метод побудови наведено в додатку 4.

1) Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору первинної сфери G1=Dkmax/D1 (при Ki=0.5, D0/D2=1/4, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис.4.1.):

Рис. 4.1 Залежність яскравостіLввід відношенняDkmax/D1

2) Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору ДВЗЯG=D0/D2 (при Ki=0.5, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис 4.2):

Рис 4.2 Залежність яскравості Lв від відношення D0/D2

3) Залежність яскравості на виході ДВЗЯ (Lв) від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис 4.3.)

Рис. 4.3 Залежність яскравості Lв від коефіцієнта випромінювання Ki

4) Залежність діаметра вторинної сфери D2 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.4):

Рис. 4.4. Залежність D2 від коефіцієнта випромінювання Ki

5) Залежність діаметра первинної сфери D1 від коефіцієнта випром. Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 перв. сфер ДВЗЯ (Рис. 4.5.):

Рис. 4.5 Залежність D1 від коефіцієнта випромінювання Ki

6) Залежність діаметракаліброваної діафрагми Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.6):

Рис. 4.6 Залежність Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki

7) Залежність кількості джерел випромінювання в первинній сфері Nii від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.7):

Рис. 4.7 Залежність Nii від коефіцієнта випромінювання Ki

8) Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від коефіцієнта заповнення первинної сфери Kz (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Ki=0.5), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.8):

Рис. 4.8 Залежність яскравостіLв від коефіцієнта заповнення Kz

Розрахункове дослідження можна вважати успішним, так як отримані залежності показали наглядно переваги та недоліки зміни кожного з досліджуваних параметрів.

Проаналізувавши, наведені вище графіки залежностей, було обрано найдоцільніші вихідні параметри для розрахунку габаритних та енергетичних характеристик приладу:

§ мм - діаметр вихідного отвору;

§ -відносоний отвірДВЗЯ;

§ -коефіцієнт випромінювання;

§ - кількість первинних випромінювачів;

§ - відносоний отвір первинної сфери;

§ -коефіцієнтзаповнення;

§ - оптичний потік, створений джерелом випромінювання.

Також було зроблено наступні висновки:

1. Збільшення числа первинних випромінювачів(N₁) ефективніше для підвищення вихідної яскравості ДВЗЯ, ніж збільшення кількості джерел випромінювання в них при малому значенні N₁.

2. Існує оптимальне співвідношення розмірів калібрувальної діафрагми і вихідної апертури ДВЗЯ (енергетичний параметр Р), при якому яскравість ДВЗЯ максимальна. ЗначенняРскладає при цьому 0.55... 0.85.

3. Збільшення відносного отвору первинного випромінювача доцільне до значень … при великому значенні N₁ (N₁ ? 3). Подальше збільшення веде до віньєтування калібрувальної діафрагми вхідним отвором вторинної сфери. При малому N₁ (N₁<3) цей ефект проявляється набагато раніше і із зростанням відбувається монотонна зміна яскравості ДВЗЯ.

4. Найбільш ефективною мірою підвищення яскравості ДВЗЯ є використання високо відбиваючих покриттів з .

4.2 Розрахункова частина

Згідно з описаним вище розрахунковим дослідженням ДВЗЯ було обрано вихідні параметри для габаритного та енергетичного розрахунку.

Всі розрахунки було виконано в САПР “Mathcad”, а всі робочі програми розрахунку будуть наведені в додатках (додаток 5).

4.2.1 Габаритний розрахунок

Розрахуємо основні конструктивні та енергетичні параметри ДВЗЯ при використанні лампи ІІІ групи PhilipsHalogen 12VCapsule 4yr.

Задаємось розміром вихідної апертури , виходячи з апертури пристрою, що калібрується:

Знайдемо площу вихідної апертури :

(4.1.)

.

Задаємося коефіцієнтом випромінювання.

Знайдемо - сумарну площу отворів вторинної сфери.

(4.2.)

.

Знайдемо загальнуплощу отворів сфери :

(4.3.)

.

Знайдемо діаметр вторинної сфери :

(4.4.),

З розрахункового дослідження ДВЗЯ відомо, що:

(4.5.)

З (3.5.) обчислимо:

- площа вторинної сфери.

Задаємося кількістю первинних сфер, виходячи з проектуємої яскравості та розрахункового дослідження ДВЗЯ:

Розрахуємо максимальну площу калібруємого отвору :

(4.6.)

Визначимо максимальний діаметр калібруємого отвору :

(4.7.)

Визначимо діаметр первинного випромінювача , виходячи зі світлосили первинного випромінювача .

Світлосила первинного випромінювача з врахуванням розрахункового дослідження ДВЗЯ дорівнює:

Звідси:

(4.8.)

.

Задамось коефіцієнтом заповнення :

Розрахуємо кількість джерел випромінювання (ГЛ) , в первинній сфері діаметром :

(4.9.)

Так як, отримане число не є цілим, то за кількість ламп візьмемо найбільше повне ціле число з отриманого . Тобто, в подальших розрахунках кількість джерел випромінювання в первинній сфері будемо вважати рівним

4.2.2 Енергетичний розрахунок

Розрахуємо яскравість на виході ДВЗЯ для джерела випромінювання, що було обрано для даного приладу раніше (Розділі 2, пункт «Вибір джерела випромінювання»), - ГЛ ІІІ групи PhilipsHalogen 12VCapsule 4yr, та розрахованих вище габаритів системи.

Вихідні дані для розрахунку:

§ - оптичний потік, створений джерелом випромінювання.

§ - діаметр первинної сфери;

§ - площа калібруємого отвору;

§ - кількість джерел випромінювання в первинній сфері;

§ - коефіцієнт відбиття внутрішньої поверхні інтегруючої сфери;

§ - коефіцієнт відбиття внутрішньої поверхні інтегруючої сфери.

§ - кількість первинних сфер;

§ - діаметр вторинної сфери;

§ - площа вторинної сфери;

§ - діаметр вихідного зрачка вторинної сфери.

Знайдемо площу первинної сфери:

(4.10.)

Знайдемо освітленість внутрішньої поверхні первинної сфери :

(4.11.)

Розрахуємо оптичний потік, що поступає з первинної сфери в вторинну :

(4.12.)

Знайдемо освітленість внутрішньої поверхні вторинної сфери .

Знайдемо площу вихідної зіниці, як площу сферичного сегмента:

(4.13.)

Освітленість внутрішньої поверхні вторинної сфери дорівнює:

(4.14.)

Знайдемо яскравість вихідної зіниці вторинної сфери, яку можна вважати Ламбертовим випромінювачем:

(4.15.)

Аналогічні розрахунки проведемо й для джерел випромінювання, обраних в інших групах. Всі розрахунки проведені в програмі Mathcad, та наведені нижче в Додатках в повному обсязі.

4.2.3 Вибір параметрів ДВЗЯ в залежності від ДВ

Отримані в результаті конструктивні та енергетичні параметри для обраних ламп кожної з 3х груп наведемо нижче в порівняльній таблиці.

Проаналізувавши порівняльну таблицю, було обрано за джерело випромінювання було обрано галогенну лампу ІІ групи PhilipsMASTERCaps, так як вона дозволяє отримати найбільшу яскравість на виході ДВЗЯ, при незначному збільшенні габаритів приладу, та меншій ніж у лампи І групи потужності,що дозволяє не застосовувати ніяких додаткових засобів охолодження первинної сфери.

Таблиця 4.1

Порівняльна таблиця параметрів і характеристик ДВЗЯ в залежності від обраного джерела випромінювання

ГЛ	D2, м	, у.о.	D1, м	Nii, шт	Фs, Вт	Lв,	Dkmax,м
PhilipsCapsuleLine Pro	1.265	0.198	0.227	4	64.300	3.18•103	0.073
PhilipsMASTERCaps	1.265	0.198	0.227	4	49.688	2.458•103	0.073
PhilipsHalogen 12VCapsule 4yr	1.265	0.198	0.268	5	9.061	400.135	0.087

Нижче наведена таблиця, з характеристиками та параметрами ДВЗЯ, при використанні ГЛ PhilipsMASTERCaps як джерела випромінювання, отриманими внаслідок габаритного та енергетичного розрахунків (таблиця 4.2.), та таблиця з характеристиками ГЛ PhilipsMASTERCaps(таблиця 4.3.)

Таблиця 4.2

Характеристики та параметри ДВЗЯ

Dv, м	D2, м	D1, м	Dkmax, м	Ni, шт	Nii, шт	с1, с2,%	Lв,
0.25	1.265	0.227	0.073	7	4	99	2.458•103

Характеристики джерела випромінювання
Найменування	Р,Вт	U,В	Ф, Лм	Tсл, год.	Габарити	Тип цоколя
					L	D	H
PhilipsMASTER Caps	60	12	1700	4000	44	12	30	GY6.35

Таблиця4.3

Р - потужність, Вт;

U - напруга, В;

Ф - світловий потік, Лм;

T_сл - строк служби лампи, год.

4.2.4 Розрахунок різьбової передачі

Діафрагма приводиться в рух за допомогою крокових двигунів, що працюють синхронно між собою. Розрахуємо залежність повороту вісі двигуна від переміщення пластин діафрагми вздовж направляючих.

Знаючи крок різьби S=0.5 мм, можна сказати, що за один повний оберт направляючої на 360? пластина діафрагми зміщується вздовж направляючоїна S. Тобто, при повороті вісі на 1? пластина зміститься на

Висновки до розділу 4:

В результаті виконання розрахункової частини дипломного проекту були розраховані конструктивні та енергетичні параметри та характеристики ДВЗЯ для джерел випромінювання 3х груп, розсортованих по споживаючій потужності лампи. А саме для таких ламп PhilipsCapsuleLine Pro (І група), PhilipsMASTERCaps (ІІ група), PhilipsHalogen 12VCapsule 4yr (ІІІ група).

Проаналізувавши отримані результати було обрано джерело випромінювання, яке найбільше задовольняє поставленим в ТЗ задачам, а саме PhilipsMASTERCaps (ІІ група).

На основі габаритного розрахунку було побудовано схему оптичну принципову приладу, що розробляється.

приймач випромінювання дифузний яскравісний



РОЗДІЛ 5. РОЗРОБКА МЕТОДІВ КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ

5.1 Методика проектування дифузного випромінювача змінної яскравості

Вище відзначалося, що завдання визначення енергетичних характеристик ДВЗЯ є багатоваріантним і багатопараметричним, причому значна частина параметричних зв'язків не має аналітичного опису, і обмежена конструктивними міркуваннями. Повною мірою це відноситься і до методів проектування випромінювача. Проте енергетичний аналіз ДВЗЯ, проведений в розділі 4 дозволив встановити основні залежності між його метричними характеристиками і параметрами основних конструктивних елементів. При цьому також враховувалися результати, отримані при макетуванні і експериментальному дослідженні випромінювача, а також почерпнуті з літературних джерел. На підставі цих залежностей були розроблені наступні рекомендації по проектуванню ДВЗЯ із заданими параметрами.

1. Виходячи з вхідної апертури пристрою, що калібрується, і конструктивних особливостей вимірювального стенду визначається величина вихідної апертури ДВЗЯ . При цьому перекриття апертури ДВЗЯ апертурою пристрою, що калібрується, має бути не менше 20...25%.

2. Виходячи з необхідної рівномірності сформованого яскравісного поля і максимальної необхідної яскравості ДВЗЯ, задаються величиною відносного отвору G. Як показала практика використання дифузних випромінювачів в системах енергетичного калібрування, величина G зазвичай вибирається в межах , причому більше значення дозволяє дещо зменшити габарити випромінювача і підвищити його яскравість, але за рахунок зниження рівномірності яскравості поля і навпаки. Рекомендоване значення G - .

3. По певних і заданих величинах и G, а також використовуючи залежності вихідної яскравості від енергетичного параметра P, знаходиться його величина в межах 0.55...0.85. Рекомендоване значення для більшості практичних випадків P = 0.65.

4. По отриманих величинах , G, P і сумарної площі усіх отворів вторинної інтегруючої сфери визначається сумарна площа калібрувальних діафрагм .

5. Задаючись кількістю первинних випромінювачів визначають розміри калібрувальних діафрагм . При цьому слід враховувати, що при <3помітно знижується рівномірність вихідного яскравісного поля і зменшується його інтегральне значення, а при >7, істотно ускладнюється конструкція ДВЗЯ. Застосування парного числа первинних випромінювачів, як було показано вище, не доцільно із-за взаємного перекриття. Рекомендоване значення - 5...7.

6. Задаються відносним отвором первинного випромінювача G₁ з діапазону і використовуючи міркування, викладені в п.2 з тією різницею, що вимоги до рівномірності яскравісного поля в первинному випромінювачі нижче, а вимоги до максимальної яскравості вищі. Рекомендоване значення G₁- .

7. Виходячи з необхідної вихідної яскравості ДВЗЯ, по заданим N₁ і G, визначають діаметр первинного випромінювання D₁ і кількість джерел випромінювання N_ii. Для полегшення цієї процедури, в таблиці 1.2. представлені деякі типи галогенних ламп, найбільш доцільні для використанні у випромінювачі. Підставою для відбору служить передусім максимальний випромінюваний потік, мінімальні габарити, зручність кріплення в інтегруючій сфері, мінімальні втрати енергії із-за віньєтування і екранування, максимальна тривалість горіння. При визначенні N_iiдоцільно задатися коефіцієнтом заповнення K_з. Енергетично і конструктивно виправданий діапазон значень K_з- 10...30. Зменшення K_зполегшує тепловий режим, але знижує вихідну яскравість і рівномірність її розподілу у вихідній апертурі. Найбільш раціональне значенняK_з=20, але для випромінювачів з підвищеною величиною яскравості, значення K_зможна збільшити до 30…40. Проте при цьому слід прийняти додаткові заходи по ефективному охолодженню первинного випромінювача.

8. По формулах (3.38) - (3.33) визначається максимальна яскравість формованого ДВЗЯ яскравісного поля, а з використанням методики розділу - його нерівномірність. При цьому слід враховувати, що основним видом погрішності є отвори калібрувальних діафрагм у вторинній сфері.

Корекцію результатів найзручніше робити заміною типу використовуваної галогенної лампи з коефіцієнтом заповнення. Практика розрахунків і проектування ДВЗЯ, показує, що без зміни певних конструктивних параметрів випромінювача, його вихідну яскравість можна змінювати таким чином в межах 40...60%.

З використанням розглянутої методики отриманих вище результатів, були розраховані залежності вихідної яскравості ДИПЯ від основних параметрів його конструктивних елементів, представлені в таблиці. і показані на рис. 4.1-4.8. Вертикальні лінії на графіках визначають межу мінімально можливого діаметру вторинної сфери при вказаному співвідношенні кількості джерел випромінювання N_іі і первинних сфер N₁. Інакше, зменшуючи діаметр вторинної сфери D₂ при незмінному співвідношенні N_іі •N₁ буде порушуватися умова узгодження діаметру калібруючих діафрагм і відносних отворів G₁ і G. У розрахунках параметри набували наступних числових значень: G₁ = , с₁=с₂=0.99, Ф_ii=100Вт, Р=0,65.

При використанні отриманих результатів для практичних цілей слід мати на увазі, що зміни потоку випромінювання від 50 до 200 Вт призводить до лінійної зміни вихідної яскравості без замітного впливу на інші параметри ДВЗЯ.

5.2 Конструкція ДВЗЯ

ДВЗЯ призначений для створення рівномірного по вихідній апертурі яскравісного поля та передачі його на вхідну зіницю ЦВС, регулюючи його інтенсивність калібруючою діафрагмою.

Спочатку збирати несучий каркас. Ніжки 6 загвинтити в різьбові отвори стоп 9. 4.Встановити опори 7 в отвори стоп 9, піджати ребрами 10 та закріпити спочатку болтами 12, а потім болтами 11. Встановити плече 8 на опори 7 і закріпити болтами 12. Закріпити вузол вторинної сфери 1 гвинтами 13 на опорах 7.

Складається вузол діафрагми. Корпус діафрагми кріпиться до верхньої півсфери вторинної сфери гвинтами. Кріплення нагвинчується на направляючий вал до вказаних міток. Пластина кріпиться до кріплень гвинтами. Зібраний механізм встановлюється в корпус діафрагми, та накривається кришкою, що кріпиться до корпусу діафрагми гвинтами. До корпусу гвинтами кріпляться крокові двигуни.

Вузол первинної сфери складається з верхньої півсфери 6 та нижньої півсфери, що з'єднані між собою гвинтами.

Закріпити вузли діафрагм 2 на вторинній сфері 1 гвинтами 14.

Вузол освітлювача складається з корпусу освітлювача на який з натягом встановлюється ущільнювач та патрон GY 6.35, в який попередньо встановлено галогенну лампу PhilipsMasterCAPS.

Закріпити вузли освітлювачів 3 на вузлі первинної сфери 4 гвинтами 15. Під'єднати дроти 18 (на кресленні не показано) до вузлів освітлювачів 4 та вузлів діафрагм 2 з однієї сторони, та до зовнішнього блоку управління та живлення ДВЗЯ 20 (на кресленні не показано).

Для юстування положення ДВЗЯ відносно ЦВС ніжки загвинчувати чи розвинчувати спеціальним ключем (поставляється в комплекті, на кресленні не показано).

Висновки до розділу 5:

Завдяки вдало вибраній конструкції приладу було досягнуто якості реальних зразків, а по деяким параметрам, навіть, вдалося перевершити відомі аналоги світових фірм виробників.

Конструкція розроблюваного приладу є надійною, міцною, технологічною та відповідає вимогам ТЗ.



РОЗДІЛ 6. Розрахунок метрологічних характеристик

6.1 Метрологічний аналіз дифузного випромінювача

Аналіз точності ДВ та ДВЗЯ є чи найважливішим серед усіх питань метрології подібних установок. Тому звернемо особливу увагу на це питання.

Основну роль при аналізі точності починають грати випадкові такі фактори як нестабільність джерел випромінювання, зміна характеристик внутрішнього покриття інтегруючої сфери, мінливість геометричних і фізичних параметрів конструктивних елементів ДВ, ДВЗЯ і т.д. Розглянемо це більш детально. Спочатку поставимо задачу оцінити точність ДВ, а згодом ДВЗЯ та порівняти їхні середні похибки установки яскравості на виході з урахуванням багатьох факторів, що впливають на її величину.

6.1.1 Дослідження точності дифузного випромінювача

Спираючись на отриману формулу яскравості для класичного ДВ в п.п. 3.1. проаналізуємо його точність установки яскравості у вихідній апертурі.

Представляється, що вихідна апертура суттєво менше розміру інтегруючої сфери, а ФДВ і с - інтегральні значення відповідних спектральних залежностей.

Враховуючи, що перелічені величини незалежні, відносна похибка яскравості у вихідній апертурі ДВ, що обумовлена частковими похибками окремих факторів - ДФ_дв,Дс, ДR_сф іДR_в може бути описана виразом (6.1):

(6.1)

де доданки є квадратами відносних первинних похибок з їхніми частковими похідними - коефіцієнтами впливу первинних похибок.

Вирази для коефіцієнтів впливу представлені в таблиці 6.1. нижче.

Таблиця 6.1

Коефіцієнти впливу первинних похибок

При чисельному аналізі похибок установки яскравості вихідної апертури були використані параметри ДВ: R_сф = 0.125 м.; R_В = 0.05 м.; покриття сірчанокислим барієм с = 0.897; Ф_дв (1 галогенна лампа Philips) = 320 лм.

Відповідні числові значення коефіцієнтів впливу, отримані для зазначених вище значень, представлені в таблиці, а на рис. 6.1. показані залежності відносної похибки яскравості вихідної апертури від величинипервинних похибок ДФ_дв, Дс, ДR_сф іДR_в. Яскравість на виході ДВ при зазначених вище вхідних даних складає L=4.156·10³ лм/(ср·м²).

Із рис. 6.1. видно, що найбільший внесок у сумарну похибка вносить нестабільність внутрішнього покриття ДВ. Як показали дослідження й аналіз літератури [7, 6, 8] ця нестабільність обумовлена різними факторами:деградацією матеріалу, його гігроскопічністю, запиленням і т.д. Для кожного із застосовуваних на практиці покриттів ці фактори проявляються в різній степені, але в середньому можна вважати, що навіть найбільш довговічні покриття з алюмосилікату магнію й полівініл бутірола не можуть L забезпечити стабільність краще, ніж 0.05% на годину.

Рис. 6.1 Залежність відносної похибки установки яскравості від первинних помилок



Покриття із пресованого сірчанокислого барію й напиленого окису магнію, мають кращі оптичні характеристики [7], але мають меншу стабільність. У цьому плані найбільш перспективними є покриття з політетрафторетилену (PTFE), що забезпечують сполучення гарних оптичних характеристик з високою стабільністю, але їхнє застосування на Україні дуже обмежено.

Другим по величині джерелом похибки вихідної яскравості є нестабільність джерел випромінювання. Тут варто розрізняти короткочасну складову, викликану, в основному, перепадами живлячої напруги з довгостроковим, обумовленим вигорянням тіла розжарення, деградацією матеріалу колби й осадженням вольфраму на її внутрішній поверхні.

Короткочасну нестабільність можна істотно (до десятих часток відсотка)зменшити застосуванням еталонних блоків живлення (наприклад типу БП-120, МТКС-15, МТКС-30) і підключенням груп ламп до різних джерел живлення. Довгострокова нестабільність ураховується періодичним калібруванням і визначається точністю еталонного випромінювача.

Зміна розмірів інтегруючої сфери хоча і є, у відносних величинах,істотним джерелом загальної похибки, по абсолютній величині не перевищує часток відсотка навіть при досить жорсткому температурному режимі ДВ.

Примусове охолодження випромінювача знижує цю похибка до (0.1-0.2%).

Асферичність та інші порушення форми інтегруючої сфери носять систематичний характер і враховуються при калібруванні ДВ.

Ще менший вплив складає нестабільність вихідної апертури (менш 0.1%)і нею можна знехтувати.

На рис. 6.2 показані залежності похибки яскравості вихідної апертури від погрішностей основних елементів ДВ із врахуванням їхніх реальних значень, отриманих на експериментальній установці, які можуть використовуватися при оцінці точності проектованих випромінювачів [8].

Рис. 6.2 Похибка яскравості вихідної апертури залежно від нестабільності основних елементів ДВ

Таким чином, сумарна похибка ДВ, при використанні вітчизняних покриттів може бути доведена до величини 1-2%, а при використанні покриттів на основі політетрафторетилену до 0.5-1%, що цілком достатньо для калібрування навіть еталонної фотометричної апаратури.

Отже, при використанні основних типів покриттів вітчизняного виробництва і стабілізації джерела живлення в межах 0.2-0.5%, похибка установки вихідної яскравості ДВ може бути доведена до 0.5-1%.

6.1.2 Дослідження точності дифузного випромінювача змінної яскравості

Основні похибки формування поля яскравості в вихідній апертурі ДВЗЯ пов'язані із деградацією з часом відбиваючих покрить с₁ і с₂, флуктуаціями напруги живлення і, як слідство, зміною випромінюваного потоку Ц_дв,температурними коливаннями розмірів конструктивних елементів D₁, D₂,D_к,D_в, зміною характеристик середовища всередині інтегруючих сфер і т.п. Якщо вважати, що ДВЗЯ працює в усталеному режимі, а фактори, що впливають на яскравість в вихідній апертурі вважати статистично незалежними, то похибка установки яскравості у вихідній апертурі, яка обумовлена частковими похибками окремих факторів: ДФ_дв, Дс₁,Дс₂,ДD₁,

ДD₂, ДD_К і ДD_В в першому наближенні можна описати виразом (6.2):



(6.2)

де , , , , , - часткові похідні відносних первинних похибок або їх коефіцієнти впливу на сумарну похибку.

Формули для розрахунку відповідних коефіцієнтів впливу приведені в табл. 6.2.

При чисельному аналізі сумарної похибки установки яскравості вихідної апертури були використані параметри ДВЗЯ, що розраховувався для калібрування широкоспектральних скануючих пристроїв космічного базування типу ”Egyptsat - 1” (галогенна лампа КГМ-30-300-2, Ф_дв = 100Вт, D₁ =0.25 м, D₂ =1 м, D_к =0.05 м, D_в =0.2 м, N₁ = 3, N_дв = 5).

Відповідні числові значення коефіцієнтів впливу, отриманих для вказаних значень параметрів, представлені в табл. 6.2, а розраховані по формулі (6.2)залежності похибки установки яскравості вихідної апертури від первинних похибок Ф_дв, Дс₁, Дс₂, ДD₁, ДD₂, ДD_К і ДD_В показані на рис. 6.3.

Рис. 6.3 Залежність похибки установки вихідної яскравості ДВЗЯ від відносних похибок його параметрів

Відзначимо, що найбільший вклад в сумарну похибку вносять похибки внутрішніх покриттів інтегруючих сфер Дс₁, Дс₂, нестабільність потоку джерел випромінювання Ф_дв, зміна діаметра вихідної апертури ДD_В і похибка калібрувальної діафрагми ДD_К. Похибка діаметра первинної і вторинної сфер ДD₁, ДD₂ найменше впливають на сумарну похибку, але знехтувати ними не можна. Проаналізуємо указані похибки найбільш детально.

Нестабільність внутрішнього покриття інтегруючих сфер обумовлена різними факторами: деградацією матеріалу, його гігроскопічністю,запиленістю і т. п.

Для кожного з використовуваних на практиці покриттів ці фактори проявляються в різній степені, але для більшості традиційних покрить(BaSO4, MgO, Al і др.) сумарна нестабільність перевищує0,05% за годину. Суттєво кращі характеристики мають нові матеріали, особливо на основі політетрафторетилену. В табл. 6.3 приведені характеристики деградації з часом покриття “Spectralon” SRS-99, яке здатне забезпечити стабільність характеристик при доволі довгій експлуатації з похибкою менше 0,01%. До того ж ці покриття надійно працюють при великому перепаді температур, що особливо важливо для первинних інтегруючих сфер.

Нестабільність живлення джерел випромінювання призводить до зміни як величини випромінювального потоку так і його спектрального складу.

Похибку вихідної яскравості ДВЗЯ, яка обумовлена цією зміною потоку можна визначити по формулі (6.3):

(6.3)

а зміщення максимуму спектральної характеристики по формулі (6.4):

(6.4)

Де Ф_s(л,T) - вихідний інтегральний потік від лампи;

Ф_{s(л+Дл,T+ДT)} - потік від лампи обумовлений коливанням живлячої напруги,

T=2850К - установлена температура лампинакалювання КГМ-12-100.

Таблиця 6.3

Старіння матеріалу SpectralonSRS-99

Числові значення похибок (6.3, 6.4), отриманих для різних величин пульсацій живлячої напруги представлені в табл. 6.4 і дозволяють оцінитиїхній вплив в різних випадках.

Таблиця 6.4

Похибка джерел випромінювання

Примітка: приведена величина в цьому розділі відноситься тільки до аналізуджерела випромінювання.

Очевидно, що основним методом зменшення розглядуваних похибок є використання високостабільних джерел живлення та роздільно-групове підключення джерел випромінювання первинних сфер до декількох електрично розв'язаних блоків живлення. Наприклад, живлення джерел випромінювання ДВЗЯ з 15 лампами (групи по 5 ламп) від трьох блоків зменшує похибку установки вихідної яскравості приблизно в 1.7 разів.

Характеристики деяких джерел живлення, які можуть використовуватися з ДВЗЯ представлені в табл. 6.5 і дозволяють чисельно оцінити похибку джерел випромінювання для різних випадків.

Таблиця 6.5

Дані про деякі стабільні джерела живлення для ламп накалювання

Треба зауважити, що стабілізація напруги живлення в межах 0.05% є досить реальною задачею навіть при значному струмі, що споживається лампами ДВЗЯ.

Зміна параметрів конструктивних елементів ДВЗЯ хоч і є, у відносних величинах, суттєвим джерелом похибок (рис. 6.3), та при правильних виборі матеріалу і конструкторському підході може бути доведена до долів відсотка навіть при доволі жорсткому температурному режимі випромінювача. В табл. 6.6 приводяться розраховані по коефіцієнтам лінійного температурного розширення відхилення розмірів інтегруючих сфер і калібрувальних діафрагм для різних матеріалів і різних температурних режимів.

Очевидно, що ефективне охолодження первинних інтегруючих сферможе суттєво знизити ці похибки. Такий же результат дає використання в ДВЗЯ надяскравихсвітлодіодів, але спектр їх випромінювання значно вужчий ніж у ламп розжарювання і випромінюваний потік менший.

Таблиця 6.6

Відхилення параметрів конструктивних елементів ДВЗЯ

Асферичність та інші порушення форми інтегруючої сфери мало впливають на зміну вихідної яскравості, носять систематичний характер іможуть бути враховані при калібруванні ДВЗЯ.

На рис. 6.4 показані залежності похибок установки яскравості у вихідній апертурі від первинних похибок основних елементів ДВЗЯ з урахуванням їх реальних величин, отриманих вище.

При цьому для чіткішого розуміння були використані максимальні значення. Однак, навіть в цьому випадку максимальна похибка установки яскравості не перевищує 1%, чого достатньо для більшості фотометричних задач.

Враховуючи, що ДВЗЯ працює в значному діапазоні змінної яскравості (перспективним є значення - 10⁵...10⁶) представляє інтерес дослідження залежності похибки установки яскравості від її абсолютної величини. На рис. 6.5, 6.6 показані залежності похибки установки яскравості від первинних похибок елементів ДВЗЯ для крайніх значень діаметра калібрувальної діафрагми D_К = 0.001 і 0.1м відповідно. Ці ж залежності для калібрувальної діафрагми діаметром 0.05 м були вказані раніше на рис. 6.4, а в табл. 6.7 приведені числові значення сумарної похибки установки вихідної яскравості в різних точках динамічного діапазону ДВЗЯ при первинних похибках основних елементів на рівні 0.1%.

Рис. 6.4. Залежність похибки установки вихідної яскравості ДВЗЯ відпервинних похибок при D_К =0.05 м, Ц_дв =100 Вт,

с₁ =с₂ =0.99, D₁ =0.25 м, D₂ =1 м, D_В =0.2 м, N_і =3, N_дв =5



Рис. 6.5 Залежність похибки установки вихідної яскравості ДВЗЯ від первинних похибок при D_К = 0.001 м

Рис. 6.6 Залежність похибки установки вихідної яскравості ДВЗЯ від первинних похибок при D_К = 0.1 м

Таблиця 6.7

Похибка установки вихідної яскравості в різних точках динамічного діапазону

Із рис. 6.5, 6.6 і табл. 6.7. видно, що похибка установки вихідної яскравості ДЗВЯ суттєво підвищується в режимі малих яскравостей. Значно зменшити цю похибку і розширити динамічний діапазон випромінювача можна, відключивши частину джерел випромінювання при середньому значенні калібрувальних діафрагм в режимі малих яскравостей. Як показали експериментальні дослідження [9], кількість одночасно працюючих джерел випромінювання в первинній сфері, за рахунок ефективного інтегрування потоку, мало відображається на фотометричному тілі, що формується на калібрувальній діафрагмі і майже не відображається на параметрах вихідного поля яскравості. У зв'язку з цим, такий режим можна рекомендувати для надточних вимірювань. Правда при цьому збільшується час калібрування за рахунок уповільнення процесу термостабілізації випромінювача.

На рис. 6.7 показана залежність нормованої величини яскравості вихідної апертури ДЗВЯ від діаметра калібрувальної діафрагми при різній кількості первинних сфер. Необхідно звернути увагу на існуючу не лінійність калібрувальної характеристики та її малий нахил на початку і в кінці динамічного діапазону.

Якщо до лінійності калібрувальної характеристики пред'являються досить жорсткі вимоги то слід виготовляти калібрувальні діафрагми із змінними діаметрами, що змінюватимуться не по лінійному закону, а приблизно такому як на рис. 6.7. Крок значень калібрувальних діафрагм повинен бути змінним по цьому ж принципу.

Експериментальні дослідження ДЗВЯ показали, що перелічені рекомендації дозволяють забезпечити достатню лінійність вихідної яскравості в межах динамічного діапазону 10⁵ -10⁶.

Рис. 6.7 Зміщення кривої нормованої яскравості при різній кількостіпервинних сфер N₁