Простой фотометрический модуль

Приборы и компоненты для фотометрического анализа. Простейшая фотометрическая схема Фотоэлектрические методы. В фотоэлектрических методах определяется. – презентация

Простой фотометрический модуль

1 Приборы и компоненты для фотометрического анализа. Простейшая фотометрическая схема Фотоэлектрические методы. В фотоэлектрических методах определяется мощность светового потока, прошедшего через исследуемы раствор. Оптические приборы, измеряющие световой поток только видимого диапазона, называются фотоэлектроколориметрами. Приборы которые измеряют световой поток в УФ, видимом диапазоне и ИК диапазоне, называют фотометрами.<\p>

2 Приборы и компоненты для фотометрического анализа. Фотометр – оптический прибор, позволяющий измерять световой поток на фиксированных длинах (диапазонах) волн. Основные компоненты одноканального фотометра<\p>

3 Приборы и компоненты для фотометрического анализа. Спектрофотометр – оптический прибор, который разлагает световой поток на непрерывный спектр и позволяет измерять его на любой длине волны в пределах оптического диапазона. Основные компоненты спектрофотометра<\p>

4 Компоненты фотометрических приборов. Источники света. Лампы. Тепловые источники света: типичный тепловой излучатель лампа накаливания (SF1904+, SF3300, АР-101, BR-501, BR-5000N). Спектр излучения лампы накаливания является непрерывным и полностью перекрывает оптический диапазон от 340 до 1000 нм. Однако, интенсивность излучения в ультрафиолетовой области в сотни раз меньше, чем в инфракрасной. Для выравнивания неравномерности спектра в оптическую систему вводят специальные поглощающие светофильтры. Преимущества: дешевизна, легкая доступность, универсальность. Недостатки: малый срок службы, помутнение лампы вследствие испарения материала, из которого сделана нить накаливания, относительно большой размер.<\p>

5 Компоненты фотометрических приборов. Источники света. Лампы. Галогеновые лампы: по структуре аналогичны лампам накаливания, но содержат в газе наполнителе добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. В галогеновых лампах также используются инертные газы-наполнители. Использование инертных газов значительно уменьшает испарение вольфрама и увеличивает время работы лампы. (PD303, PD303S, PD303UV) Преимущества: отсутствие помутнения лампы, увеличенный срок службы, компактный размер. Недостатки: дороговизна, необходимость заказывать лампы у производителя оборудования.<\p>

6 Компоненты фотометрических приборов. Источники света. Лампы. Дейтериевые лампы: представляет собой стеклянную трубку с кварцевым окошком, содержащую анод и катод, заполненную газом дейтерия. Эти лампы относятся г газосветным источникам с дуговым зарядом. Они дают непрерывный спектр в УФ-области ( нм) (PD- 303UV) Преимущества: возможность работы в УФ диапазоне. Недостатки: дороговизна, необходимость заказывать лампы у производителя оборудования. Источники света. Светодиоды. Светодиод: полупроводниковый прибор, электрическую преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения. (AP-700, HG-202) Преимущества: возможность выбора светодиода с нужным спектром излучения. Недостатки: невозможность широкого применения<\p>

7 Компоненты фотометрических приборов. Источники света. Светодиод. Светодиод: (AP-700, HG-202) Преимущества: Недостатки:<\p>

8 Компоненты фотометрических приборов. Фильтры. Стеклянный абсорбционный фильтр. Стеклянный абсорбционный фильтр: самый простой тип фильтра, это тонкое цветное стекло. Обычно стеклянные фильтры из цветного стела имеют спектральную полосу более 50 нм и относятся к широкополосным фильтрам. (AP-101, AP-700, HG-202) Преимущества: дешевизна, простота изготовления. Недостатки: не является монохроматором, пропускает свет в относительно широком диапазоне волн.<\p>

9 Компоненты фотометрических приборов. Фильтры. Узкополосные интерференционные фильтры. Узкополосный интерференционный фильтр: Обеспечивают точную установку длины волны. В современных б/х анализаторах наиболее распространены фильтры с габаритным диаметром 12,7 мм и световой зоной (диаметр светопропускания) 8 мм (SF1904+, SF3300). Конструкция фильтра: Интерференционное покрытие наносится на одну из двух подложек из плавленого кварца. Подложки монтируются в металлическую оправу. Между положками находится инертный газ, обеспечивающий защиту и стойкость дифракционного покрытия. Конструкция фильтров видимого диапазона более проста, так как требования к фильтрам не столь жесткие. Инертный газ в них не используется. Преимущества: Является монохроматором. Обеспечивают достаточно установку длинны волны ±2 нм; спектральная полоса 10 нм ± 1 нм, подавление постороннего света в диапазоне от 100 до 1200 нм (кроме рабочей полосы пропускания). Недостатки: сложность изготовления, дороговизна.<\p>

10 Компоненты фотометрических приборов. Монохроматоры. Дифракционная решетка. Монохроматор: оптическая система для выделения узких участков спектра излучения с заданной длинной волны (PD-303, PD303S, PD303UV). В спектральных приборах высокого класса применяются дифракционные решетки. Вне зависимости от способа изготовления решетки представляют собой периодические структуры (полосы или штрихи). Качественные решетки должны содержать не менее линий/мм для точной установки заданной длинны волны. При падении на решетку белого света за решеткой возникает разложенный по цветовым пучкам свет, т.е. решетка разлагает свет на спектральные составляющие. Преимущества: возможность установки практически любой длинны волны. Недостатки: дороговизна, сложность изготовления.<\p>

11 Компоненты фотометрических приборов. Приемники оптического излучения. Фотодиоды и устройства считывания. Фотодиоды: полупроводниковые приборы, основанные на фотоэфекте, использующие одностороннюю проводимость p-n перехода, при освещении которого появляется э.д.с. (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обратного тока. (фотодиодный режим) оптическая система для выделения узких участков спектра излучения с заданной длинной волны (AP-101, AP-700, HG-202, BR-501, PD-303, PD303S, PD303UV, SF1904+, SF3300). Устройства считывания: Величина электрического сигнала фотопреобразователя может считываться и отображаться на цифровых индикаторах, ЖК индикаторах или дисплее. Цифровые устройства индикации подключаются к выходу блоков усиления тока (усилителям) и цифровой обработки фотометрических данных и обеспечивают визуальное отображение чисел, соответствующих ОП, пропусканию или концентрации. Современные фотометры имеют микропроцессорные устройства считывания величины фототока и программного определения плотности образца относительно плотности бланка.<\p>

Источник: http://www.myshared.ru/slide/491679/

Фотометрический блок

Союз Советскик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 170779 (2!) 2797816/18-25 (51)М с присоединением заявки М (23) Приоритет—

G 01 7 1/04

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано ) 50981. Áþëëåòåíü )49 34

Дата опубликования описания 1509.8 l„ (53) УДК 535.242 (088. 8) (72) Авторы изобретения

О.Ф.Михаль и И,С.Олейник (71) Заявитель (54) ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ БЛОК

Цель изобретения — повышение точности измерений и калибровки.

Поставленная цель достигается тем, что в фотометрическом блоке, содержащем расположенные по ходу излучения диафрагму, оптический ослабитель и фотоприемник, на фотоприемник установлены съемные светонепроницаемые экраны, в качестве оптического ослабителя использован зонный ослабитель с отверстиями, торцы которого зачернены, при этом форма и расположение отверстий ослабителя соответствуют форме и расположению экранов.

На фиг. 1 представлена зонная характеристика фотоприемника; на Фиг.

2 — то же, оптического ослабителя; на фиг. 3 — система Фотоприемник-оптический ослабитель; на фиг. 4 устройство в режиме снятия зонной характеристики фотоприемника; на фиг.

5 то же, в режиме снятия эонной характеристики оптического ослабителя, на фиг. б — в режиме снятия зонной характеристики системы фотоприемник оптический ослабитель; на фиг. 7 фотометрический блок в рабочем режиме.

фотометрический блок содержит фотоприемник 1, со светонепроницаемыми

Изобретенче относится к фотометрии, к устройствам для измерения фото метрических величин, в частности мощности оптического излучения.

Известны устройства для фотометрирования, содержащие диафрагму, корректирующие фильтры-ослабители и фото приемники (1).

К недостаткам данных фотометрических блоков относится то, что кор!

О ректирующие фильтры-ослабители линеаризируют спектральную характеристику фотоприемников, не учитывая неоднородности зонных характеристик фотокатодов фотоприемников, что сказывается на точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотометрический блок, содержащий расположенные по ходу излучения, ди- 20 афрагму, оптический ослабитель и фотоприемник (21.

К недостаткам данного устройства относятся невозможность учета влияния неоднородности зонных характеристик фотоприемника и оптического ослабителя на точность измерения, а также на то, что срок перекалибровки определяется безотносительно к интенсивности эксплуатации

Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/86/864018.html

Фотометрические характеристики светодиодных светильников: взгляд со стороны конечного потребителя

Переход на светодиодное освещение усложнил задачу выбора светильников, по причине множества параметров, которые следует учитывать. Некоторые из них непонятны потребителям без специальной подготовки.

В этой статье рассказывается о наиболее важных фотометрических характеристиках светодиодных осветительных приборов и о том, как они влияют на качественные и технико-экономические показатели осветительных систем.

В недалеком прошлом в осветительных приборах использовались главным образом лампы накаливания и газоразрядные лампы. По сравнению с положением дел в светотехнике сейчас, ситуация тогда характеризовалась следующими особенностями:

  • небольшой разброс энергоэффективности источников света в пределах одного типа (лампы накаливания, люминесцентные, МГЛ и т.п.);
  • возможность замены пользователем источника света практически во всех светильниках;
  • главным фактором, определяющим параметры подавляющего большинства типов осветительных приборов, были параметры источника света.

Осветительные приборы с тех времен принято классифицировать по четырем основным параметрам: тип конструкции арматуры, тип источника света, потребляемая мощность источника свет, количество источников света. При этом для ламп накаливания указывалась максимально допустимая мощность, а для люминесцентных ламп — рекомендуемая мощность.

Система классификации, основанная на потребляемой мощности источников света, для своего времени оказалась очень удобной.

В самом деле, достаточно сказать, например, «ЛПО 4х18 Вт», и даже далеким от светотехники людям становится ясно, что это за светильник и где его можно применять.

Количество светильников на заданную мощность можно было определить по методу удельной мощности. Наконец, сопутствующий аппарат понятен электрикам и энергетикам.

Внедрение светодиодов в освещение принципиально изменило ситуацию. Разброс соотношений между количеством света и потребляемой мощностью для светодиодов огромен.

Источник света, как правило, несъемный, к тому же, характеристики осветительного прибора определяются не столько его параметрами, сколько параметрами других узлов (блок питания, теплоотвод, оптическая система). Наконец, светодиоды дали нам потрясающее разнообразие типов светильников.

При этом потребляемая мощность в качестве основной характеристики, определяющей выбор осветительного прибора, теряет свой смысл.

Она важна только как параметр, непосредственно связанный с электропитанием, например, для определения подводимой мощности для системы освещения, но не более того. На первый план выходят фотометрические характеристики, то есть связанные с энергетическими характеристиками светового излучения.

Тем не менее, многие производители и для светодиодных светильников считают главным параметром потребляемую мощность (в особо «запущенных» случаях — суммарную потребляемую мощность только светодиодов, а не всего светильника), а также некую эквивалентную мощность светильника с традиционным источником света, который якобы заменяет данный осветительный прибор.

При этом в ряде случаев технические характеристики светильника, предоставляемые потребителю, на этом заканчиваются.

Иногда такой подход может быть вполне объясним, если речь идет о светильниках для бытового применения, продающихся в крупных торговых сетях, где нет компетентных консультантов по светотехнике.

Зачем, спрашивается, пугать покупателя непонятными терминами, значение которых ему в магазине все равно не объяснят? Но, как правило, указание только потребляемой мощности светильника, либо ее и некоей «эквивалентной» мощности означает стремление представить товар более качественным, чем он есть на самом деле. Соотношение потребляемой мощности при равном количестве света для светодиодов и традиционных источников света не прописано ни в одном стандарте. Производитель может указывать этот параметр совершенно произвольно, не заботясь о его соответствии действительности, что нередко и делается.

Отсюда вывод: серьезный производитель осветительных приборов всегда сообщает потребителю основные фотометрические характеристики своей продукции. А что нужно знать о светильнике, чтобы сделать правильный выбор и как разобраться в этом массиве данных, и пойдет речь далее.

Световой поток

Световой поток — это величина, оценивающая действие потока излучения на селективный приемник. Кривая чувствительности этого приемника соответствует кривой чувствительности человеческого глаза для дневного зрения.

В качестве единицы измерения принят 1 люмен (лм) — световой поток, излучаемый точечным изотропным источником силой 1 кандела длиной волны 555 нм, в угол, равный 1 стерадиану.

Для других длин волн значение светового потока для 555 нм умножается на функцию относительной спектральной эффективности излучения. При непрерывном спектре световой поток определяется интегрированием.

Чем больше световой поток определенной модели светильника, тем меньше требуется таких светильников для освещения данного помещения или открытого пространства.

Если светодиодные светильники устанавливаются точно на места, где раньше стояли светильники на традиционных источниках, нужно, за редким исключением, руководствоваться следующим простым правилом.

Световой поток у светодиодных светильников, которые устанавливаются в порядке модернизации освещения должен быть не меньше, чем у ранее использовавшихся осветительных приборов.

Со световым потоком связан такой параметр светильников, как светоотдача. Она равна отношению светового потока светильника к потребляемой им мощности. Этот показатель очень важен для технико-экономического обоснования перехода с традиционных источников света на светодиоды.

Необходимо сравнить светоотдачу всего светильника (а не только его источника света), ранее используемого в системе, со светоотдачей инновационного оборудования, которое предлагается установить.

В том случае, если у светодиодного светильника светоотдача ниже или почти такая же, как у ранее использовавшегося светильника, выигрыша от снижения энергопотребления вы не получите.

Практика внедрения светодиодного освещения показывает, что проекты замены традиционных светильников на светодиодные уверенно окупаются при светоотдаче светодиодных светильников не менее чем в 1,5 раза больше, чем у предшественников. Вот почему, кстати, замена офисных светильников с люминесцентными лампами T5 на светодиодные пока не приносит экономической выгоды, так как светоотдача при этом возрастает не более чем в 1,2 раза.

У светильников в пределах одной ценовой категории (например, если мы возьмем в рассмотрение только офисные светильники производства российских фирм или, скажем, только светильники для промышленного освещения, собранные в странах Западной Европы) зависимость цены от светового потока имеет приблизительно линейную зависимость. Поэтому для выбора оптимального по стоимости технического решения при установке светильников заново используют такой показатель как стоимость 1 лм светового потока. Она равна отношению светового потока светильника к его цене.

На высококонкурентных сегментах рынка осветительных приборов, таких, как офисные светильники, встраиваемые в подвесные потолки, следует ориентироваться на среднее значение стоимости 1 лм по рынку (берутся данные по 10–15 поставщикам).

При этом стоимость 1 лм, более чем на 20% превышающая среднее значение по рынку может (хотя и не всегда!) означать завышенную цену.

А если стоимость 1 лм более чем на 20% ниже средней по рынку, есть повод внимательно присмотреться, на какие упрощения пошел производитель, чтобы обеспечить снижение цены на светильник, и не пошли ли эти упрощения в ущерб качеству.

Осевая сила света

В прожекторах и некоторых типах светильников важен не сам по себе световой поток, а то, насколько точно он сфокусирован. В этом случае в технических характеристиках указывается так называемая осевая сила света.

Этот параметр равен силе света, измеренной на оптической оси осветительного прибора на заданном расстоянии от источника света. По умолчанию указанное расстояние принимается равным 1 м.

Часто можно встретить прожектора, в технических данных которых указана осевая сила света при отсутствии информации о световом потоке, хотя выпускаются и осветительные приборы, для которых нормируются оба параметра.

Почему осевая сила света так важна для светодиодных прожекторов? Дело в том, что светодиоды имеют меньшие геометрические размеры, чем традиционные источники света. Это позволяет создавать на их основе прожектора с более точно сфокусированным световым лучом.

То есть при меньшем световом потоке светодиодный прожектор может иметь такую же или даже большую осевую силу света по сравнению с прожектором традиционной конструкции. В итоге получается исключение из правила, сформулированного в предыдущем разделе.

Но, на самом деле, с возможностью замены прожектора на светодиодный с меньшим световым потоком следует разбираться индивидуально применительно к каждому отдельному проекту.

Угол расхождения светового потока

Этот термин имеет несколько других вариантов написания, в том числе «угол распределения света». Углом расхождения светового потока называется угол между осями, по которым сила света в 2 раза меньше по сравнению с максимальным значением на том же расстоянии от осветительного прибора.

В первую очередь угол распределения света важен для прожекторов, а также светильников, предназначенных для установки в помещениях с высокими потолками, например, в заводских цехах. Чем выше место, где находится светильник, тем меньше должен быть угол расхождения светового потока. Но и в офисном освещении указанный параметр весьма важен.

Простейшая конструкция светильника, состоящая из массива SMD-светодиодов, закрытых прозрачным или матовым плафоном плоской формы, имеет угол распределения света около 120 градусов. Собственно, такой угол расхождения светового потока имеют сами SMD-светодиоды без дополнительной оптики.

В то же время, используемые в офисах недорогие люминесцентные светильники с растровыми отражателями, встраиваемые в потолки «армстронг», имеют угол распределения света около 90 градусов.

При замене таких светильников на дешевые светодиодные с тем же световым потоком, субъективно отмечается уменьшение освещенности. Дело в том, что при большем угле свет идет в основном не на рабочие поверхности внизу, а вбок, на стены.

Особенно этот эффект заметен в модных «сверхтонких» панелях, где светодиоды светят в торец рассеивателя. Угол распределения света в таких моделях может достигать 150 градусов, но производители предпочитают об этом помалкивать.

Поэтому при замене «армстронгов» с растровыми отражателями следует или выбирать светодиодные светильники с углом распределения света 90–100 градусов, либо приобретать светильники с широким углом и большим, чем у предшественников, световым потоком, чтобы компенсировать потери из-за направления значительной части света на стены.

Первый вариант недешев, так как предусматривает наличие в светильнике микролинз или рассеивателя специальной конструкции. Но и увеличение светового потока тоже влечет за собой удорожание системы. Какой вариант будет оптимальным, можно точно выяснить, лишь проведя расчеты в программе Dialux, Relux или других аналогичных пакетах.

Конусная диаграмма

Пожалуй, наиболее удобный способ представления фотометрических характеристик.

Диаграмма показывает зависимость максимальной освещенности рабочей поверхности в люксах (по умолчанию предполагается, что коэффициент отражения поверхности равен 50%) от высоты расположения светильника.

Некоторые конусные диаграммы также отображают диаметр светового пятна (по уровню освещенности 0,5 от максимального). Использование конусной диаграммы не способно заменить проектирование в соответствующих программах.

Тем не менее, такие диаграммы позволяют быстро оценить, на какой высоте и с каким шагом можно устанавливать данные светильники. Кроме этого, на таких диаграммах наглядно видны проблемы, свойственные бюджетным светодиодным светильникам без оптики, а также светильникам, в которых излучение светодиодов направлено в торец рассеивателя.

Фотометрическая диаграмма

Для изображения распределения света от светильника используется фотометрическая диаграмма в полярных координатах. На ней нанесены кривые силы света (КСС) для двух перпендикулярных плоскостей. В том случае, если светильник является круглосимметричным, дается КСС для одной плоскости.

Рассказ о том, как «читать» фотометрические диаграммы, выходит за рамки этой статьи. Отметим лишь особенность, связанную именно со светолиодами.

Наличие на КСС хорошо заметных «зазубрин» означает, что в светильнике проглядываются светодиоды в виде отдельных ярко светящихся точек.

Подобные светильники не следует использовать в помещениях, где работают за компьютерами, на высокоточных производствах и в других местах, где важен визуальный комфорт.

Алексей ВАСИЛЬЕВ

Источник: https://market.elec.ru/nomer/53/fotometricheskie-harakteristiki-svetodiodnyh-sveti/

ФОТОМЕТРИЯ

ФОТОМЕТРИЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок.

0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием.

Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра.

Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Фотометрические величины

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света.

Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан.

В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд).

Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 5401012 Гц ( = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4 лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м2, т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2. (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений

Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

Общие методы фотометрии

Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 – 3)10–3%.

Визуальная фотометрия

История визуальной фотометрии начинается с П.Бугера (1698–1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И.Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов.

В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии.

Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01–1 кд/мспектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету (дневной, или фотопической) до соответствующей адаптации к темноте (суперечной, или скотопической), а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Визуально невозможно определить, насколько яркость одной поверхности больше, чем яркость другой. Но если две поверхности непосредственно примыкают друг к другу, то по исчезновению разграничивающей линии между ними равенство их яркостей можно установить визуально с точностью до 1% и даже еще точнее.

Было разработано много различных устройств для образования таких полей сравнения; одно из них, т.н. кубик Люммера – Бродхуна, показано на рис. 2,а. Это две сложенные вместе трехгранные призмы из оптического стекла, причем контактная грань одной призмы слегка закруглена.

Вследствие этой закругленности призмы имеют лишь частичный оптический контакт, через который свет может проходить прямо. Но в тех местах, где грани призм не соприкасаются, свет полностью отражается. Часто бывает желательно, чтобы свет от двух источников падал с противоположных сторон, и поэтому применяются схемы типа показанной на рис.

2,б. Наблюдатель, глядя в микроскоп с небольшим увеличением, видит поля сравнения, показанные на рис. 2,в.

Чтобы добиться одинаковой яркости двух полей сравнения, нужно регулировать световой поток хотя бы одного из сравниваемых источников света. В лабораторных измерениях сравниваемые лампы закрепляют в держателях, которые можно перемещать по направляющей. Такая направляющая, прямая и достаточно жесткая, называется фотометрической скамьей.

Фотометрическая головка (типа показанной на рис. 2,б) устанавливается неподвижно. Если одна лампа закреплена на расстоянии (рис. 3) от экрана, а другая отодвинута на расстояние и при этом яркость полей сравнения одинакова, то отношение сил света идвух ламп определяется равенством I1 /x12 = I2 /x22.

Это равенство выражает т.н. закон обратных квадратов расстояний И.Кеплера (1604), который является основным законом фотометрии. Согласно этому закону, если яркость двух полей сравнения одинакова, то силы света двух ламп обратно пропорциональны квадратам расстояний от соответствующих ламп до экрана фотометра.

В справедливости этого соотношения легко убедиться, рассмотрев световую пирамиду с лампой в вершине (рис. 4). Свет, проходящий через сечение A пирамиды на единичном расстоянии от лампы, будет распределен по площади 4А на удвоенном расстоянии, по площади 9А – на утроенном расстоянии и т.д.

Единственное условие применимости этого закона требует, чтобы размеры источника были малы по сравнению с расстоянием.

В некоторых специальных измерениях применяются другие средства изменения яркости поля сравнения, например, поляризатор с анализатором, которые поляризуют и ослабляют проходящий световой поток соответственно своей взаимной ориентации, клинья из серого стекла и быстро вращающиеся диски с секторными вырезами («вращающиеся секторы»). Диски имеют форму плоской крыльчатки вентилятора. Если диск вращается достаточно быстро, так что не заметно никакого мерцания, то свет ослабляется пропорционально доле полного круга, приходящейся на секторные вырезы. Каков бы ни был выбранный способ регулировки яркости, важно, чтобы изменялась только яркость, но не цвет поля.

Относительно световых источников разного цвета установлено, что если цвета различаются более или менее заметно, то результаты сравнения приобретают субъективный характер и даже у одного и того же наблюдателя могут меняться. При этом точность визуальной фотометрии сильно снижается.

Физическая фотометрия

Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш.

Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза.

Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.

Электрические фотоприемники, используемые в физической фотометрии, реагируют на свет с разными длинами волн не в точном соответствии с эталоном МКО.

Поэтому для них требуется светофильтр – тщательно изготовленная пластинка из цветного стекла или окрашенного желатина, которая пропускала бы свет разных длин волн так, чтобы фотоприемник со светофильтром по возможности точно соответствовал «стандартному наблюдателю».

Следует учитывать, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такого устройства, то результаты сравнения верны лишь условно. На самом деле невозможно гарантировать, что источники, яркость которых одинакова по оценке, основанной на эталоне МКО, покажутся одинаково яркими любому человеку.

Выделение признака яркости из общего внешнего вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у одного и того же индивидуума протекает по-разному в разное время, а потому в тех случаях, когда требуются численные оценки, необходима стандартизованная методика измерений.

Фотодиод (иногда называемый вентильным фотоэлементом) представляет собой металлическую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового материала (например, селена с напыленной поверх него тонкой пленкой золота или другого неокисляющегося металла) (рис. 5). Толщина пленки подобрана так, что она проводит электричество, но прозрачна и пропускает свет. Свет, падающий на селен, вызывает дрейф свободных электронов, которые заряжают металлическую пленку отрицательно относительно селена.

Если к такому фотодиоду присоединить микроамперметр с малым сопротивлением, то показываемый им ток будет почти строго пропорционален освещенности фотодиода.

Если же сопротивление цепи велико, то это соотношение прямой пропорциональности нарушается, и в лабораторных условиях применяют специальные схемы, имитирующие нулевое внешнее сопротивление.

Простая комбинация фотодиода с микроамперметром используется в фотографических экспонометрах.

На фотометрической скамье рис. 3 вместо визуального фотометра можно установить фотодиод. Более того, можно установить рядом два фотодиода, обращенных в противоположные стороны, и измерять разность их токов.

В таком варианте лампа 1 служит лампой сравнения и остается на своем месте в ходе эксперимента, а лампа, которую требуется сравнить, устанавливается в положение 2, после чего ее перемещают так, чтобы разность токов была равна нулю.

Существуют люксметры, состоящие из фотодиода, корректирующего светофильтра и микроамперметра, широко применяемые инженерами по освещению и другими специалистами.

В частности, фотодиод с корректирующим светофильтром используется для повседневных фотометрических измерений всех видов в заводских лабораториях.

Если точность 1–2% приемлема, а сила света достаточно велика, то с такими устройствами можно работать без каких-либо затруднений.

В случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и более надежная калибровка, фотометристы обращаются к вакуумным фотоэлементам.

Такой фотоэлемент имеет фотокатод в виде металлической пластинки, обычно покрываемой одним или несколькими тонкими слоями металлов и их оксидов, и второй электрод – анод, причем оба они находятся в стеклянном высоковакуумном баллоне.

Когда на фотокатод падает свет с длиной волны, превышающей некоторое «пороговое» значение (зависящее от материала фотокатода), из него выбиваются электроны. Если фотоэлемент включить последовательно с батареей и чувствительным измерительным прибором, как показано на рис.

6, то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности.

Вместо измерительного прибора можно использовать электронный усилитель, и тогда слабые токи будут усиливаться. Можно также добавить дополнительные усилительные каскады; тщательно спроектированная аппаратура такого рода позволяет измерять свет звезд, слишком слабый, чтобы его можно было видеть простым глазом.

Для повышения чувствительности и стабильности измерений перед фотоэлементом можно установить вращающийся прерыватель света и усиливать полученный переменный ток. Такой метод особенно эффективен, если усиливаемый ток выпрямляется в точном синхронизме с прерывателем.

Это позволяет подавить шумы электронной схемы и прочие помехи.

Для усиления тока можно обойтись без внешнего усилителя, если использовать явление вторичной электронной эмиссии. Соответствующие устройства называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ); некоторые типы ФЭУ схематически изображены на рис. 7.

Электроны, высвобождающиеся с фотокатода, притягиваются к первому из ряда электродов, называемых динодами. Каждый из них находится под более высоким напряжением, чем предыдущий.

Электрон, падающий на динод, высвобождает несколько вторичных электронов; вторичные электроны идут к следующему диноду, и каждый высвобождает еще несколько электронов и т.д.

Среднее отношение числа испущенных электронов к числу падающих (коэффициент усиления) можно легко регулировать, изменяя напряжение между соседними динодами. Коэффициент усиления может достигать миллиона и более, причем предел обусловлен только тем обстоятельством, что некоторое количество электронов высвобождается с фотокатода даже в темноте и они умножаются так же, как и другие.

Ни у одного фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя кривая спектральной чувствительности не соответствует в точности кривой чувствительности для глаза.

Спектральная чувствительность зависит от материала фотокатода.

Поэтому в тех случаях, когда приходится сравнивать световые потоки разного цвета, необходим светофильтр, а расчет и градуировка светофильтра для точной фотометрии могут составить основную часть затрат на аппаратуру.

Измерение светового потока

Одна из характеристик лампы или осветительной арматуры, необходимая инженеру по освещению, – это испускаемое ею полное количество света.

Только измерив эту величину, можно определить относительную эффективность осветительных устройств.

Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока: гониометрический метод и метод «интегрирующей сферы» («сферы Ульбрихта»).

Гониометр – это приспособление, позволяющее измерять освещенность, создаваемую лампой, в любом желаемом направлении. Лампа либо неподвижна, либо вращается вокруг вертикальной оси так, чтобы распределение света лампы не изменялось.

Поэтому фотометр (обычно фотоэлектрический) закрепляют на конце длинного качающегося держателя, или используют подвижные зеркала. Во избежание больших поправок расстояние от лампы до фотометра выбирают на порядок больше максимального размера лампы; поэтому гониометр для больших люминесцентных ламп занимает много места.

После того как измерена освещенность во многих направлениях, вычисляют полный световой поток.

Интегрирующая сфера (рис. 8) представляет собой полый шар, выкрашенный изнутри матовой белой краской. Внутри сферы подвешивается лампа или арматура с экраном, закрывающим ее со стороны небольшого окошка из опалового стекла (освещенность которого измеряется).

Внутри подвешивается также эталонная лампа (световой поток которой точно измерен при помощи гониофотометра), закрытая экранами со стороны первой лампы и окошка.

Освещенность окошка при включенной той или другой лампе пропорциональна ее полному световому потоку (если не считать поправок, которые существенны, когда лампы имеют разные размеры или форму либо заметно различаются цветом испускаемого света).

Специальные фотометры

Кроме рассмотренных приборов, существуют специальные фотометры для измерения яркости поверхностей, коэффициентов пропускания и отражения разных образцов, характеристик световозвращающих отражателей (дорожно-маркировочной краски, дорожных знаков), освещенности улиц и пр.

Источник: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/FOTOMETRIYA.html

Фотометрические (абсорбциометрические) приборы

Фотометрические и спектрофотометрические методы получили широкое распространение в лабораториях. Эти методы позволяют относительно быстро определять весьма малые количества веществ.

Отличаясь простотой, хорошей чувствительностью и высокой скоростью анализа, они находят применение как в повседневной практике, так и в исследовательской работе.

Фотометрический анализ является одним из наиболее удобных методов определения малых количеств вещества, так как существует практически неограниченная возможность превращения вещества в раствор, сильно поглощающий свет [3].

Имеется определенная закономерность в поглощении части светового спектра окрашенным раствором. Например, раствор, окрашенный в желтый цвет, поглощает синюю часть света, т. е. дополнительный цвет.

Величина светопоглощения в фотометрии выражается величиной оптической плотности D (экстинкция или поглощение раствора иногда обозначается Е). Величина, обратная плотности, называется прозрачностью, или пропусканием раствора, обозначается Т и выражается в процентах.

Основным законом колориметрии и абсорбциометрии является объединенный закон Вугера — Ламберта — Вера.

Из этого закона следует, что оптическая плотность раствора, или экстинкция, прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту погашения.

Закон имеет следующее выражение D = Е = ελСl, где D — плотность или Е — экстинкция; Ελ — молярный коэффициент погашения; С — концентрация вещества, поглощающего свет;

 l — толщина поглощающего слоя окрашенного раствора.

Молярный коэффициент погашения представляет собой оптическую плотность 1М раствора, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Он позволяет объективно оценить чувствительность реакции.

Так, например, для слабоокрашенных веществ, таких, как хромат калия, молярный коэффициент погашения составляет 400—500, а для дитизоната меди — около 50 000.

Отсюда следует вывод, что второе вещество превосходит по чувствительности первое примерно в 100 раз [39].

Не всякая концентрация раствора может быть использована для фотометрических определений. Оптимальными пределами измерений на фотоэлектрических приборах считаются растворы, поглощающие от 5 до 90% света [8], что соответствует от 0,02 до 1,0 оптической плотности.

Для фотоэлектрических приборов, снабженных усилителями и соответствующим запасом по чувствительности, этот предел может быть повышен до оптической плотности 2,0.

Отсюда, собственно, исходят некоторые рекомендации при измерениях: а) если плотность раствора велика, то необходимо разбавить раствор или взять кювету с более тонким слоем; б) в случае малой плотности раствора нужно переходить на кювету с большей толщиной рабочего слоя.

Основной закон фотометрии соблюдается в строго определенных условиях. На практике имеются ограничения, причиной которых являются отклонения от этого закона, вызванные деформацией молекул, недостаточной монохроматичностью света, изменением степени диссоциации ионов и другими причинами.

При соблюдении основного закона фотометрии график зависимости между концентрацией окрашенного раствора и его оптической плотностью выражается прямой линией. При нарушении закона пропорциональность искажается (рис. 66).

Рис. 66. Зависимость оптической плотности от концентрации. 1 — при соблюдении основного закона фотоколориметрии; 2 — при его нарушении. Пояснения в тексте.

Переходя к описанию свойств и особенностей отдельных типов приборов для фотометрического анализа, необходимо отметить некоторые достижения и усовершенствования в их устройстве, отражающие прогресс в науке и технике.

В практике зарубежных лабораторий получили широкое распространение гемоглобинометры, сахариметры, билирубинометры, приборы для определения насыщения крови кислородом, основанные на фотометрическом методе измерения.

В связи с возросшим объемом работы лабораторий, а также с большим прогрессом в технике автоматического анализа появились различные автоматизированные фотоколориметры и автоматические анализаторы, снабженные в качестве измерительного прибора фотоэлектрическим колориметром или спектрофотометром. Интересно отметить, что 70% известных анализаторов снабжены не спектрофотометрами, а более простыми фотоколориметрами [22].

Применение волоконной оптики в фотоколориметре позволило создать проточную кювету, в которой объем раствора составляет 0,002 мл [87].

В последние годы в медицине в качестве источника излучения в фотоэлектрических устройствах используются оптические квантовые генераторы (лазеры).

Лазеры оказались весьма перспективными потому, что их излучение имеет свойство монохроматичности и направленности более высокого качества, чем получаемое после лучших интерференционных фильтров [56].

Разработаны и уже выпускаются спектрофотометры с использованием лазера в качестве источника света.

Сложность приборов для фотометрического анализа возрастает с переходом от визуальных фотометров к фотоэлектрическим и далее к спектрофотометрам. В визуальных фотометрах используется принцип уравнивания освещенностей под контролем глаза. Более совершенными являются фотоэлектрические приборы.

Они имеют ряд преимуществ перед визуальными фотометрами: а) исключается утомляемость глаза при массовых анализах, исчезает субъективная ошибка при измерениях; б) фототок, возникающий при попадании света на фотоэлемент, измеряется стрелочными или другого рода приборами и может быть измерен намного точнее, чем при визуальном определении освещенности, что в итоге повышает точность анализа; в) фотоэлектроколориметр в принципе позволяет проводить исследования не только в видимой области света.

В лабораториях медицинских учреждений получили широкое распространение фотоэлектрические колориметры типов ФЭК. Первоначально выпускались колориметры ФЭК-М, ФЭК-Н-57. Затем на смену им пришли ФЭК-56 и ФЭК-60.

Последние два типа имеют источники излучения в видимой и ультрафиолетовой областях и их правильнее назвать абсорбциометрами. На всех ФЭК можно осуществлять также турбидиметрические измерения.

При этом надо иметь в виду, что турбидиметрические методы уступают фотометрическим по той причине, что рассеяние или поглощение света дисперсной фазой зависит не только от количества частиц, но и от их формы, размера, характера. Для повышения стабильности взвесей применяют стабилизаторы, например желатину.

Стабильность взвесей — необходимое условие для того, чтобы можно было правильно провести исследование. Со времени подготовки исследуемого образца до окончания его измерения частицы вещества не должны оседать или коагулировать в заметной степени, что может отразиться на точности измерения.

Фотоколориметры, как правило, имеют следующие элементы схемы: 1) осветитель; 2) светофильтры; 3) кюветы; 4) фотоэлементы; 5) устройства для измерения или компенсации фототока.

Фотоэлектроколориметры, в зависимости от метода измерения светового потока, делятся на два типа: а) фотоколориметры прямого отсчета; б) фотоколориметры, работающие по методу сравнения [15].

В первом случае измеряется прямая зависимость фототока от светового потока. В приборах этого типа применяется один фотоэлемент (или другой приемник излучения).

Во втором случае сравниваются по дифференциальной схеме два световых потока — измерительный и компенсационный. В приборах этого типа в зависимости от схемы могут использоваться как один, так и два фотоэлемента. Фотоколориметры с использованием дифференциальной схемы являются более стабильными и точными, поскольку меньше зависят от колебаний напряжения сети и других помех.

В фотоэлектрических фотометрах применяют различные типы фотопреобразователей, осуществляющих преобразование света в электрический ток. В качестве фотопреобразователей применяют фотоэлементы двух разновидностей — с запирающим слоем (вентильные) и с внешним фотоэффектом (газонаполненные или вакуумные).

Вентильные фотоэлементы не требуют источника питания и могут быть присоединены непосредственно к выходному электроизмерительному прибору. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом в сочетании с усилителем позволяют получить большую выходную мощность и больший запас чувствительности. К вентильным фотоэлементам относятся селеновые и кремниевые.

Селеновый фотоэлемент получил широкое распространение благодаря некоторым своим положительным качествам. Интегральная чувствительность этого фотоэлемента достаточно велика, чтобы использовать его фототок без усиления. Селеновые фотоэлементы мало инертны, быстро «входят в режим», имеют хорошие эксплуатационные качества. Такими фотоэлементами оснащены фотоколориметры ФЭК-М (рис. 67).

Рис. 67. Схема селенового элемента. 1 — железный электрод; 2 — полупроводник из селена; 3 — металлическое кольцо; 4 — электрод из катодно-распыленного металла; 5 — гальванометр.

Сущность работы селенового фотоэлемента состоит в следующем. При воздействии света электроны перескакивают через запирающий слой и попадают в хорошо проводящую металлическую пленку благородного металла.

Ток замыкается через гальванометр, железную пластинку и возвращается в полупроводник (слой селена). Таким путем световая энергия преобразуется в электрическую и регистрируется гальванометром.

Между силой света и фототоком в известных условиях соблюдается строгая пропорциональность.

Из фотоэлементов с внешним фотоэффектом наиболее распространенными являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Хотя фотоэлементы этого типа отличаются малой чувствительностью и требуют обязательного применения усилительных схем, они применяются в наиболее совершенных приборах благодаря чувствительности к более широкому интервалу длин волн, а также хорошим эксплуатационным качествам.

Светофильтры из общего потока света пропускают лишь определенный интервал длин волн. Чем меньше выделенный светофильтром участок спектра, тем избирательнее фотоэлектрический прибор.

Существуют светофильтры стеклянные, металлостеклянные (интерференционные), пленочные, а также жидкостные.

В современных фотоколориметрах применяются в основном светофильтры из цветного стекла и интерференционные.

Интерференционные светофильтры позволяют выделять более узкие участки спектра, при этом часто имеют больший коэффициент пропускания. Так, пропускание многослойных интерференционных светофильтров доходит до 90% [24], в то время как стеклянные для той же области имеют пропускание меньше.

Важными характеристиками светофильтра являются длина волны в максимуме пропускания и полуширина полосы пропускания. На рис. 68 и 69 показаны эти соотношения.

Рис. 68. Спектральные характеристики светофильтров.

а — широкополосный; б — узкополосный

Рис. 69. Характеристика светофильтра (спектральная кривая).

Т — коэффициент пропускания; σ 0,5; λ — полуширина пропускания светофильтра; λмакс — длина волны в максимуме пропускания; λ — длина волны.

Полуширина пропускания интерференционных светофильтров равна 10—12 нм. Интерференционные фильтры представляют собой многослойную конструкцию из стеклянных пластинок, напыленных слоев металла и прослойки диэлектрика. Схема интерференционного светофильтра приведена на рис. 70.

Рис. 70. Схема интерференционного светофильтра. 1 — плоскопараллельные защитные пластинки; 2 — слой диэлектрика; 3 — полупрозрачные слои серебра или алюминия.

Цвет светофильтра соответствует тому участку спектра, который этим светофильтром пропускается. Чтобы визуально оценить цвет интерференционного светофильтра, надо смотреть через кальку на хорошо освещенную белую бумагу. В таблице 9 показаны рекомендуемые цвета светофильтров для различных окрашенных растворов.

Таблица 9. Выбор светофильтра в зависимости от цвета раствора

Область максимального поглощения лучей раствором Цвет светофильтра Цвет раствора
400—450 Фиолетовый Желто-зеленый
450—480 Синий Желтый
480—490 Зелено-синий Оранжевый
490—510 Сине-зеленый Красный
510—560 Зеленый Пурпурный
560—575 Желто-зеленый Фиолетовый
575—590 Желтый Синий
590—625 Оранжевый Зелено-синий
625—750 Красный Сине-зеленый

Выбор светофильтра для проведения количественного исследования производят согласно следующим принципам:
а) для окрашенного раствора выбирается тот светофильтр, цвет которого является дополнительным к цвету испытуемого раствора (см. таблицу 9);

б) если известна спектральная область поглощения испытуемого раствора, то следует использовать светофильтр с максимумом пропускания, близким к максимуму поглощения раствора. Такой подбор светофильтра позволяет получить наилучшую избирательность и чувствительность, а вместе с тем и большую точность.

Источник: http://www.medical-enc.ru/oborudovanie/fotometricheskie-pribory.shtml

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector