Введение к работе
Актуальность цели работы
На всей территории нашей страны имеется большая потребность в рабочих фотометрических приборах самого различного назначения. В первую очередь это приборы для измерения собственно фотометрических величин — световых (освещенности, яркости, светимости) энергетических, в ультрафиолетовой (УФ) и инфракрасной (ПК) областях спектра.
Велика потребность отечественной промышленности в фотометрах технологического назначения — колориметрах, нульеметрах, измерителях дозы и УФ излучении, в измерителях глянца, оптической плотности н т. п. В результате проведенных маркетинговых исследований, научный раздел которых изложен в приложении 1, составлена ориентировочная оценка рынка отечественных фотометров различного назначения (таб. 1).
Таб. 1. Прогноз потребности в фотометрахразличного назначения, шт.
Важным применением рабочих фотометров в народном хозяйстве является аттестация рабочих мест, экология и охрана жизнедеятельности людей. В Российской Федерации защита здоровья человека обеспечивается комплексом Законов и нормативных актов.
Еще одним направлением применения фотометров стали различные технологические процессы, в которых основным выходом является контроль качества продукции. У нас в стране выпускается 680 миллионов различных наименований продукции. Ив 10-15% из них технический контроль качества может проводиться оптическим и методами.
С научно-методической стороны актуальность выбранного направления работы состояла в поиске новых решении, которые позволили бы успешно действовать в условиях конкуренции. Суммируя актуальность тактических проблем, итоговая стратегическая актуальность диссертации основана на:
востребованности измерительной фотометрической техники в самых пазлич-ных отраслях народного хозяйства; - высоком уровне отечественной оптической промышленности, в особенности при выполнении разовых общегосударственных программ; ориентировании создания производства рабочих фотометров широкого назначения на отечественные разработки, на оте чу стве иное программное_н метроло-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ{
БИБЛИОТЕКА J
СПетер
гическос обеспечение.
Таким образом, к началу работы сложилась ситуация, при которой фотометры современного поколения требовались практически во всех отраслях деятельности по всей стране, создание их стало актуальной задачей.
Цель работы и постановка задачи
Основной целью данной работы является обеспечение потребности народного хозяйства страны в фотометрических измерениях, разработка и изготовление фотометров различного назначения на базе созданного автором научно-технического предприятия «ТКА». Приборы предназначены для оснащения технологических участков различных отраслей промышленности, для контроля безопасности жизнедеятельности, для использования на складах, в музеях, библиотеках, для научных исследований, для обучения специалистов.
Поставленная таким образом общая цель работы предусматривает проработку более конкретных вопросов, без решения которых задача в целом не может быть решена. В первую очередь это выбор стратегии и тактики создания оптико-электронных приборов современного поколения от обшей структуры схем измерительных приборов до использования соответствующей элементной базы. При этом следует учитывать, что эти проблемы требуют совершенствования способов решения, так как изменяется спрос, совершенствуется элементная база, расширяются возможности совместного использования фотометрических приборов с другой мерительной техникой, с современными микропроцессорами, с ЭВМ и т.п.
Еще одним блоком проблем, которые необходимо было решить в рамках данной работы, являлось создание метрологического обеспечения фотометрических приборов серии «ТКА».
К ним относится создание стендов для градуировки приборов, методик поверки, проведения испытаний в Госстандарте РФ с целью утверждения тина, разработка новых методов метрологического обеспечения как по децентрализованной схеме с использованием стандартных образцов и стандартных справочных данных, так и по централизованной схеме с привязкой к первичным эталонам РФ и организацией возможности поверки и калибровки измерительной техники на специально созданной эталонной базе. Для реализации последнего был создан и аттестован Госстандартом калибровочный центр НТН«ТКА».
Методы исследования
В работе использовались методы фотометрии и радиометрии оптического излучения. В основу созданных приборов положены принципы светотехнических измерений, основы колориметрии, а также методы атомно-абсорбционнон спектроскопии вакуумного ультрафиолета. Показатели качества приборов и их метрологические характеристики обеспечивались централизованной системой передачи размеров единых фотометрических величин от эталонов к рабочим средствам измерения. В ряде случаев использовались методы децентрализованного метрологического обеспечения — по стандартным образцам и стандартным справочным данным.
Существенные новые отличия разработанных в рамках данной программы приборов коснулись метрологического обеспечения. Это относится к созданию градунровочных стендов, и разработке оригинальных методов калибровки, к использованию стандартных справочных данных в метрологическом обеспечении разработанных приборов.
В таблице 2 показаны направления научных исследований, являющиеся основным содержанием работы. Условно выделено 4 направления:
Таб.2. Основные направления и научные рсвработки. выполненные в диссертации
Исследования, обеспечивающие patработку конкретных типов фотометров
-анализ междуна
родных, общерос
сийских «отрас
левых норматив
ных докуме нгов,
регламентирую
щих уровни осве
щенности или
требования к из
мерительным
приборам;
-исследования и
анализ характери
стик н параметров
выпускаемых
промышленно
стью приборов н
ком пле ктующих;
-исследования
изменений
свойств мате-
риалов при
воздействии оп
тического излуче
ния и выбор отно
сительной УФ
эффективности;
-обоснование ме
тодов измерения
колориметриче
ских величин;
-маркетинговые
исследования пер
спектив развития
рынков фотомет
рических прнбо-
Разработка методов н средств для ме грологичес кого обеспечения измерений
-создание методов фотометрии и радиометрии, обеспечивающих калибровку рабочих средств измерения;
-разработка специальных И у НИ' ве реальных уста* новок для выполнения калибровочных работ в условиях серийного производства; -разработка и аттестация рабочих эталонов; -сертификация разработанных средств измерения (СИ), включая, раз работку программы испытания, методики поверки и описания типа СИ.
Теоретическое обоснование и схемы построения фотометров нового поколения, в т.ч.:
-измерители фо
тометрических
величин (люкс
метры, яркомеры,
УФ-радиометры);
-приборный ряд
измерителен УФ
излучения И ИЗ II-
вцтуального
пользования;
-фотометры тех
нологического на
значения (пульс-
метры, колори
метры, измерите
ли цветовой тем
пературы, денси
тометры);
-специальные
ВУФ-фотометры
для измерения не-
онтичеекпх пара
метров (оптиче
ский ВУФ-
гигромстр).
Исследование основных характеристик компонентов фотометрических устройств, в т.ч.:
-анализ разброса параметров спектральных характеристик фото-приемных устройств (ФПУ); -разработка алгоритма для индивидуального полбора элементов коррекции; -поэлементный анализ основных функциональных блоков;
-обоснование выбора и расчет элементов ФПУ, ответственных за приведение пространственной характеристики к расчетной; -исследование характеристик оптического датчика влажности на длине волны 1ч. .
Новизна работы СОСТОИТ в следующем:
впервые в нашей стране налажен серийный выпуск рабочих фотометрических приборов нового поколения для широкого использования в различных отраслях народного хозяйства, налаженопроизводствофотометровназначениядляизмере-ниякоординат
цвета, цветности, лоска, белизны и плотности ,реализован принципиально новый
подход в измерениях влажности газов попоглощению излучения водородной
лампы в вакуум ном ультрафиолете,
создан комплекс методов и средств калибровки фотометрических приборов, что позволило метрологически обеспечить все типы фотометров, которые были разработаны в процессе работы,
создана приборостроительная фирма «ТКЛ», которая изготавливает широкий набор фотометрической аппаратуры, а также выполняет научно-исследовательские работы по фотометрическому профилю.
Практическая значимость работы определяется в основном успехами тех отраслей народного хозяйства, в которых используются наши приборы. Среди огромного количества задач, решаемых с использованием фотометров, следует особенно выделить те, в которых они нашли наибольшее применение: 1. В здравоохранении для измерения доз видимого и ультрафиолетового излучения, в измерениях освещенности, яркости, создаваемых источниками света, промышленности для контроля освещенности и облученности по условиям труда и техники безопасности.
-
В светотехнике широко используются фотометры «ТКЛ» при измерениях силы света, цветовой температуры и координат цветности источников излучения, при измерении чувствительности фотоприем инков, в измерении пропускания светофильтров и коэффициентов отражения непрозрачных объектов.
-
Для контроля уровня освещенности на объектах транспорта и связи.
-
В кино и на телевидении для измерения светимости, освещенности, яркости качества цветопередачи на экранах.
-
При контроле качества мониторов при изготовлении и аттестации уровня изготовления оргтехника
-
В библиотеках и в музеях для измерения уровня освещенности и УФ облученности, определяющих световой режим при экспозициях н при хранении.
-
В технологических измерениях цвета, белизны, лоска, оптической плотности при кокгроле качества выполнения технологических процессов в полиграфической, текстильной, лакокрасочной, обувной промышленности.
-
При аттестации рабочих мест и проверки выполнения требований норм санитарного и экологического контроля в рабочих помещениях.
-
В научных исследованиях при необходимости измерять уровень освещения, а также контролировать качество цветопередачи, лоск, белизну, оптическую плотность.
-
При измерение характеристик влажности в тех случаях, когда необходимо работать в масштабе реального времени при сохранении высокой точности измерений.
10. В качестве образцового средства (рабочего эталона) второго разряда при
передаче размера фотометрических единиц в соответствии с Государствен
ной поверочной схемой.
Кроме перечисленных направлений имело место практическое использование фотометров «ТКЛ» при решении частных фотометрических и светотехнических задач. Всего в народное хозяйство РФ направлено более 7000 рабочих средств измерения фотометрических величин, 500 приборов технологического назначения и сотни приборов, изготовленных по отдельным заказам.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Но результатам выполненной диссертационной работы народное хозяйство оснащено набором современных средств измерений параметров оптического излучения в видимой и ближней УФ области спектра.
-
Схемы и принципы построения многоканальных фотометров нового поколения.
3. Методики формирования основных характеристикфогонриемных устройств.
4. Алгоритмы для расчета параметров и компьютерной обработки результатов
измерений фотометрических величин фотометрами широкого применения
(люксметры, УФ-радиометры, яркомеры, пульеметры), фотометрами техноло
гического назначения (колориметры, денситометры, блескомеры и т.п.), а
также специальными и эталонным и фотометрами.
5. Методики измерения коррелированной цветовой температуры колориметрами
интегрального типа, основанные на переходе из системы координат х,у в рав
но контрастную систему и, у.
6. Методики оценки воздействия УФ излучении на музейные художественные
ценности при введении в качестве относительной ультрафиолетовой эффек
тивности условного приемника, спектральная чувствительность которого со
ответствует табулированным значениям кривой Direct Pigmentation.
7. Концепция создания группы приборов индивидуальною пользования для ин
дикации безопасного уровня УФ излучения.
-
Принципы построения и основы создания микропроцессорных колориметров интегрального и спектрального типа, позволяющие выполнять измерения координат цветности широкого спектра источников излучения в соответствии с требованиям и отечественных и международных стандартов.
-
Теоретические основы и принципы построения фотометров-гигрометров как эталонов абсолютной влажности и методика их градуировки по физическим константам.
-
Метрологическое обеспечение разработки и выпуска фотометров серии «ТКА» нового поколения.
Личный вклад автора
Автор лично является идеологом номенклатуры н состава создаваемых изделий, основным разработчиком большинства моделей фотометров «ТКА». Исследования эксплуатационных характеристик, разработка методов и средств метрологического обеспечения приборов в большинстве своем проводились под руководством автора. Реализация идеи использования методов спектроскопии вакуумного ультрафиолета в создании и презентации оптического гигрометра мгновенного действия проводились лично диссертантом. Автору принадлежит заслуга в модернизации учебного процесса по фотометрии и светотехнике в ВУЗах Санкт-Петербурга. Учебное пособие «Основы светотехника и монография «Светотехнические измерения» написаны в соавторстве и опубликованы под непосредственным руководством автора на всех этапах прохождения рукописи. Автором лично исследовано воздействие ультрафиолетового излучения на материальные объекты, разработаны методы и средства регистрации излучения в широком диапазоне длин волн. Под руководством автора созданы и исследованы приборы для м е р н я световых параметров источников оптического излучения. Лично автором выполнены маркетинговые исследования, методы определения необходимой комплектации и уровня сервисного обслуживания, приоритетность метрологического обеспечения каждого разработанного прибора. Получение 3-х авторских свидетельств и патентов является личной инициативой автора.
Личный вклад автора в решении поставленной задачи в целом и в её осново-пологающих разделах является определяющим.
Апробация работы
Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, .> и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: - Всероссийской конференции «Оптика, стекло, лазеры- 95», СНб, 1995г.;
Международном семинаре «Оптика, инновация - 96» 1996г. Лейпциге кап ин
новационная ярмарка ;
- Международной конференции «Физическая метрология» СПб, 1996 г.;
Международная конференция «Управление продукционным процессом расте
ний в регулируемых условиях» СПб, 1996г.;
Четырех научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» Москва, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2004г.;
- Международных конференциях «Безопасность музеев», Новгород,1993 г., Мо
сква, 1994 г. Киров, 1995 г.;
Международных Светотехнических конференциях Ленинград, 1993 г., Суздаль, 1995 г., Новгород 1997г., Вологда, 2000 г. Санкт-Петербург, 2003.; Всероссийском семинаре «Безопасность библиотек и библиотечных фондов» СПб, 1997г.;
- Международном конгрессе «Art& Chimie», Париж, 1998г.;
Научной конференции по вопросам экспонирования и сохранения памятников культуры. Лейпциг, 2000 г.;
- Конгрессе МКО, Стамбул, 2001 г.;
Всероссийских научно-технических семинарах «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и медицинской технике». 2000 г., 2002 г. Сочи; IV международном симпозиуме по измерению влажности, 2002 г., Тайбей, Тайвань.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 64 печатные работы, среди них монография «Светотехнические измерения» и учебные пособия «Оптические измерения» (раздел «Фотометрические измерения») и «Основы светотехники», 4 депонированных в Министерстве науки РФНИОКР. В материалах конгрессов, конференций и семинаров опубликовано 29 докладов, зарегистрировано 2 патента и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. По результатам проведения Госиспытаний в Госреестре средств измерения РФ зарегистрировано 7 типов фотометров.
Структура и объем работы
