17. Программа «Радиометрия и прецизионная фотометрия».

Измерения радиометрических характеристик излучателей в диапазоне 180 – 1100 нм


Прецизионная фотометрия с помощью распределительного радиометра


В условиях появления современных объектов исследования – светодиодов и устройств на их основе, параметры которых стоят отдельно от всех существующих до них источников света, остро встала необходимость разработки методик измерения их параметров, потому как классические варианты использования традиционных средств измерений, применимы лишь в общих случаях, и, как показал опыт их применения параллельно с радиометрическими методами, не могут обладать высокой достоверностью по сравнению с последними.

Коэффициент преобразования фотометров (величина в размерности электрического тока (напряжения), пропорциональная освещённости чувствительной части фотометра) определяется с некоторой погрешностью относительно стандартного источника типа «А», соответствующего спектру излучения абсолютно чёрного тела (АЧТ) с цветовой температурой в 2856К. Следовательно, любое отклонение спектрального распределения мощности излучения (светового потока) измеряемого источника от указанного, вызовет увеличение погрешности измерения. А если говорить о таких квазимонохроматических источниках, как светодиоды, с полушириной спектра в 10 – 25 нм, то погрешность может возрасти на порядок величины, особенно на краях чувствительности: в зоне коротковолнового синего и длинноволнового красного. Увеличение погрешности также неизбежно будет и при измерении светодиодов белого цвета свечения на основе люминофора из-за значительной доли синего в спектре излучения. Для уменьшения погрешности измерений освещённости (силы света) такими фотометрами применяют корректировку коэффициента преобразования фотоприёмников с известными значениями относительно стандартных источников с привязкой к конкретному спектру излучения измеряемых источников. Однако здесь требуется точное измерение спектра их излучения, что также вносит свою погрешность. И, тем не менее, если все калибровки и расчёты будут выполнены корректно, то описанное уточнение в значение коэффициента преобразования существенно снизит погрешность измерения.

Однако приведённые здесь случаи измерений с помощью фотометра являются частными в более широкодиапазонной радиометрии, которая охватывает весь диапазон электромагнитных излучений. И, если ограничить этот диапазон видимым светом, то радиометрические методы с успехом могут быть применены и для фотометрических целей. Прежде всего, это обусловлено отсутствием какого-либо оптического фильтра на входе радиометрической головки, что однозначно исключает целый класс погрешностей, связанных с точностью попадания коррекции ОСЧ приёмника как можно ближе к функции V(l). Безусловно, измерение спектра измеряемого источника здесь обязательно, потому как расчёт коэффициента преобразования радиометра будет основан исходя из его результатов. Однако для увеличения точности измерений фотометром, это также будет необходимо, следовательно, по трудоёмкости эти 2 процесса могут быть приблизительно приравнены с той лишь разницей, что потребуется расчёт фотометрических величин из энергетических с помощью найденной в процессе измерений спектральной световой эффективности. Таким образом, можно сделать вывод, что непосредственные измерения энергетических единиц с помощью радиометра оказываются существенно точнее и корректнее с точки зрения физики процесса измерения. Следует отметить, что все приведённые рассуждения справедливы при условии применения гониорадиометрического метода измерения интегральной мощности излучения в дальней зоне, как наиболее точного из существующих. Именно такой метод используется в лаборатории «АРХИЛАЙТ» с помощью установок «Спекорд» (Госреестр СИ №39537-08) и гониофотометрических установок «Флакс» (Госреестр СИ №39536-08 и №39535-08) (Патент № 130394), а в совокупности с отмеченным выше вариантом применения радиометров особой конструкции (Патенты № 130404, № 130394), позволяет проводить измерения фотометрических и радиометрических единиц с высочайшей точностью.

 

Измерение радиометрических параметров облучателей по ГОСТ Р 8.760—2011 в сравнении с предлагаемым гониорадиометрическим методом 

 

Указанный стандарт определяет методику измерений энергетической освещённости и мощности излучения облучателей с помощью радиометров – дозиметров или измерителей облучённости. Документ рекомендует ряд формул для расчётов обозначенных единиц, однако ключевые зависимости имеют крайне неопределённые, и даже сомнительные переменные, значения которых не предполагается измерять в процессе исследования – их необходимо взять из неких паспортов средств измерений, или принять как некую данность, определение которой относится как раз к гониометрическому способу. Примеры отмеченных формул приведены ниже, где красным показаны условно принятые переменные.

Зависимость для расчёта энергетической освещённости

Ec=(Ei-Ej)K(ψ,φ )/Kτ

K(ψ,φ )—относительный коэффициент угловой коррекции (из паспорта СИ).

 

Зависимость для расчёта мощности излучения

P = γ Ec R2

γ — геометрический фактор, определяемый при измерении углового распределения потока излучения с помощью гониометра. 

Иллюстрация, демонстрирующая, насколько рекомендованный в стандарте метод является частным: корректное измерение можно произвести только при условии соответствия размеров источника (например, бактерицидной лампы) и расстояния радиометрирования. Однако нормировка облучённости от бактерицидных ламп осуществляется, как правило, на одном расстоянии – 1м. При таком условии, достоверность измерений ламп различных размеров окажется крайне низкой.

В отличие от описанного метода, применение распределительного радиометра, позволяет не только исключить подавляющее большинство методологических проблем измерений, но и значительно расширяет возможности использования полученной при исследовании информации. Например, проектирование параметров энергетической освещённости помещений облучательными установками в среде программы DIALux непосредственно в единицах энергетической освещённости. Пример такого использования полученных данных приведён на рисунке.

Таким образом, подчёркивая универсальность предлагаемого метода измерения радиометрических параметров облучателей с помощью распределительного радиометра, в отличие от имеющегося в единственном регламентирующем этот вид измерений стандарте ГОСТ Р 8.760—2011, можно подытожить, что в нашем случае, точность определения радиометрических характеристик не зависит от:

- Формы пространственной диаграммы излучения источника

- Размеров источника

- Расстояния от источника

- Спектрального распределения излучения (180 – 1100 нм)

- Диапазона измеряемых величин (0,01 – 10 000 Вт/ср)

- Позволяет одновременное получение всего комплекса параметров

 

Элементы Программы «Радиометрия и прецизионная фотометрия» уже не первый год с успехом используется лабораторией «АРХИЛАЙТ» в измерениях энергетической экспозиции излучения для целей исследований фотобиологической безопасности в рамках обязательного стандарта ГОСТ Р МЭК 62471 – 2013 "Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем", а также при выполнении измерений и расчётов параметров осветительных приборов и систем для освещения и досветки растений в теплицах (Программа № 14).

Подробные примеры различных зависимостей и характеристик, содержащихся в отчётах о результатах измерений по настоящей Программе, приведены в Образцах Приложений к Протоколу измерений.