способ оценки погрешностей для измерителей гидрооптических характеристик

Формула изобретения

Способ оценки погрешностей для измерителей гидрооптических характеристик, включающий использование для метрологической аттестации (поверки) на воздухе измерителей подводной спектральной облученности, спектральной яркости и биолюминесценции, применение для воспроизведения спектральной плотности энергетической облученности (СПЭО) и спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) светоизмерительной лампы СИС-107-1000, аттестованной в единицах СПЭО по образцовой ленточной лампе ТРУ-1100-2350, с использованием принципа воспроизведения СПЭО в диапазоне 1·10^-1-1·10⁵ Вт/м³ на основе закона обратных квадратов расстояний, а для воспроизведения СПЭО в диапазоне 1·10⁵-1·10 ⁷ Вт/м³ с использованием ослабителя МС-13 (молочного стекла) и набора диафрагм, отличающийся тем, что измеритель помещают в термошкаф, вычисления погрешностей осуществляют для условий проведения испытаний (+5 - +40°С), при этом источник излучения представляет собой лампу накаливания КГМ-5-27, закрепленную в тубусе, питание которой осуществляется от стабилизатора тока, позволяющего задавать пять значений накала лампы и обеспечивать поверку статической характеристики фотоприемного устройства по пяти точкам, для передачи световой энергии от источника к испытуемому измерителю применяют световод, который одним концом крепится к иллюминатору фотоприемного устройства, а другим - к источнику излучения, при этом проводят вычисления основных метрологических характеристик измерительного канала: диапазона измерений, среднеквадратичного отклонения систематической составляющей погрешности измерения, чувствительности или цены единицы младшего разряда и стабильности коэффициентов статической характеристики за межповерочный период.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для метрологической аттестации и межповерочного в экспедиционных условиях контроля измерительных приборов гидрооптических характеристик.

Госстандартом СССР в 1975 году утвержден комплекс государственных специальных эталонов, предназначенных для воспроизведения физических величин энергетической фотометрии когерентного и некогерентного оптического излучения, а также стандарты и эталоны на общесоюзные поверочные схемы к ним.

Эталонами воспроизводятся единицы: спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ), спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО), оптического излучения сплошного спектра (СПСИ) и др. [1].

Государственная поверочная схема обеспечивает передачу единицы измерения (СПЭЯ, СПЭО, СПСИ) от Государственного первичного эталона (ГПЭ) через рабочие эталоны и образцовые излучатели рабочим излучателям. Пределы допускаемых относительных погрешностей рабочих средств измерений в видимом диапазоне излучения не превышают 10% для средств, поверяемых по рабочему эталону, и 16% для средств, поверяемых по образцовым излучателям.

Для аттестации измерителей гидрооптических характеристик (показателей рассеяния, поглощения, ослабления, подводной облученности, яркости и т.д.) до настоящего времени нет государственных эталонов и государственных поверочных схем.

Для градуировки измерителей первичных оптических характеристик разработчики используют нейтральные ослабители типа НС, но этот способ не нашел широкого распространения из-за сложности приготовления растворов и поддержания постоянства их характеристик.

В работах [2, 3, 4] приведены расчеты, позволяющие оценить возможные ошибки при измерениях in situ показателя ослабления, однако эти материалы не позволяют выработать методику градуировки измерителей показателя ослабления.

Использование в качестве рабочих эталонов нейтральных ослабителей несет в себе ряд погрешностей [5], которые должны учитываться разработчиками при проведении градуировок. Оценка погрешностей существующих при измерениях in situ показателей рассеяния и поглощения пока не проводилась.

Существуют государственные эталоны и государственные поверочные схемы [6], позволяющие отградуировать измерители облученности и яркости по рабочим средствам измерения в абсолютных значениях с погрешностью не более 16%. Эта погрешность определяется в нормальных условиях в воздушной среде. При измерении этих характеристик in situ возникают дополнительные погрешности [7, 8], которые свойственны индивидуальной конструкции измерителей. Отсутствие государственных эталонов и поверочных схем для градуировки измерителей гидрооптических характеристик в водной среде затрудняет получение достоверных данных и сопоставление результатов измерений однотипными приборами. В этой связи актуальной стала проблема разработки методики и аппаратуры для метрологической аттестации (поверки) на воздухе измерителей подводной спектральной облученности, спектральной яркости и биолюминесценции как в лабораторных, так и в экспедиционных условиях.

Целью изобретения является разработка методики и устройства для метрологической аттестации и межповерочного в экспедиционнных условиях контроля характеристик измерительных оптических каналов океанологических измерительных приборов. Оптические измерительные каналы, как правило, состоят из оптического блока, диспергирующего блока и фотоприемного устройства. Первые два блока определяют вид измеряемой гидрооптической характеристики и спектральный диапазон исследования. Стабильность характеристик этих блоков определяется стабильностью оптических деталей и элементов, из которых состоят эти блоки. При современном способе производства и технологии изготовления оптических деталей, а также способе крепления этих деталей можно ожидать высокой стабильности характеристик как оптического, так и диспергирующего блоков.

Таким образом в измерительном оптическом канале фотоприемное устройство, содержащее электронные элементы и фотоприемник, обладают значительно большей нестабильностью по сравнению с первыми двумя блоками и требуют детального исследования с целью выявления его систематических погрешностей.

В экспедиционных условиях на измерительные каналы, кроме временного фактора, воздействуют механические и климатические, которые приводят к изменению их статических характеристик. Основным дестабилизирующим фактором при эксплуатации измерительных приборов является изменение температуры окружающей среды. Влияние изменения напряжения питания сказывается в меньшей степени, так как современные стабилизаторы напряжения обеспечивают высокий коэффициент стабилизации при изменении напряжения на 10-15%. В реальных условиях эксплуатации приборов температура воздуха на палубе судна изменяется от -10°С до +40°С. Однако внутри работающего прибора температура ниже +5°С, как правило, не опускается, а верхняя граница поднимается до +45°С. При работе измерителя в воде температура внутри прочного корпуса не поднимается выше 35°С (максимальная температура морской воды за исключением гидротермальных полей). Таким образом, для испытания приборов на воздействие изменения температуры окружающей среды необходимо задавать диапазон от +5°С до +45°С.

Для оценки степени влияния временного фактора, а также температуры окружающей среды была разработана методика и устройство, позволяющие определить стабильность фотоприемного устройства. Сложность проведения испытаний любого измерителя оптических характеристик на воздействие температуры заключается в обеспечении стабильности светового потока, относительно которого определяется изменение сигнала. При проведении испытаний необходимо оценивать изменение характеристики прибора в трех-четырех точках для выявления как адитивной, так и мультипликативной составляющих погрешностей.

Проведен расчет изменения светового потока для случая, когда источник излучения помещается в термошкаф вместе с испытуемым измерительным блоком.

Поток излучения Ф, испускаемый реальным телом, определяется выражением: [9]

где M(A₁) - функция, определяющая распределение энергетической светимости по поверхности А.

Если излучающая поверхность A₁ данного тела имеет одинаковую температуру Т и одинаковый интегральный коэффициент излучения _m, то излучаемый поток определяется:

Ф=A ₁· _mT ⁴;

где =5,67·10 ^-8[B_T·M^-2·K^-4 ].

Это выражение определяет поток излучения, испускаемый реальным телом в окружающую среду с температурой 0К.

При температуре Т₂ больше 0К излучающее тело с температурой T₁ будет поглощать часть энергии, получаемой им от окружающей среды. Световой поток при этом будет определяться:

где - среднее арифметическое значение _m для T₁ и Т₂.

Для случая, когда разность температур мала, выражение потока можно записать в виде:

Ф=4A_i ¹··T ³T.

В работе [10] приводится выражение потока для практических расчетов:

где C_S=5,67[B_T·M^-2 ·K^-4].

Вычисления для условий проведения испытаний (+5°С - +40°С) показали, что изменение потока при таких изменениях температуры составит примерно 7,5-8%. Отсюда следует вывод, что помещение источника излучения в испытуемую камеру недопустимо.

Для передачи световой энергии от источника к испытываемому измерителю был применен световод. Этот световод одним концом крепился к иллюминатору фотоприемного устройства, а другим к источнику излучения. Таким образом, измеритель находился в термошкафу, а источник излучения в нормальных условиях.

Источник излучения представляет собой лампу накаливания КГМ-5-27, закрепленную в тубусе. Соединение световода с тубусом исключает попадание в световод постороннего света. Питание лампы излучателя осуществляется от стабилизатора тока. Стабилизатор позволяет задавать пять значений накала лампы, тем самым обеспечивает проверку статической характеристики фотоприемного устройства по пяти точкам.

Далее проведены исследования основных метрологических характеристик измерительного канала гидрооптических характеристик: диапазона измерения; среднеквадратичного отклонения систематической составляющей погрешности измерения в заданном диапазоне; чувствительности или цены единицы младшего разряда; стабильности коэффициентов статической характеристики за межповерочный интервал.

Для оценки основных метрологических характеристик разработана и изготовлена установка, которая на сегодняшний день может считаться образцовым средством измерения, предназначенным для метрологической аттестации (поверки) на воздухе измерителей подводной спектральной облученности, биолюминесценции, спектральной яркости.

Для воспроизведения спектральной плотности энергетической облученности (СПЭО) и спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) в установке используется светоизмерительная лампа СИС 107-1000, аттестованная в единицах СПЭО по образцовой ленточной лампе ТРУ 1100-2350.

В основу принципа воспроизведения СПЭО в диапазоне 1·10^-1 -1·10⁵ B_т/М³ положен закон обратных квадратов расстояний, то есть облученность вдоль оси излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения.

Значения СПЭО определяются по формуле:

где E₀ (() - СПЭО, создаваемая лампой на расстоянии l=1 м от нити накала, В_т/М³, l_i - переменное расстояние от нити до окна измерителя.

Для воспроизведения СПЭО в диапазоне 1·10⁵-1·10⁷ B_т /М³ используется ослабитель, состоящий из МС-13 (молочное стекло) и набора диафрагм различного диаметра.

Значения СПЭО для этого случая определяются по формулам:

где () - спектральный коэффициент яркости МС-13.

О - площадь диафрагмы.

l_1i - расстояние от нити лампы до МС-13.

l_2i - расстояние от МС-13 до иллюминатора.

Значение СПЭЯ МС-13 определяется по формуле:

где B_i()- яркость МС-13, установленного на расстоянии l_1i от нити накала лампы.

На фиг.1 приведена функциональная схема измерения СПЭО в диапазоне 1·10^-1-1·10 ⁵ B_Т/M³ и СПЭЯ в диапазоне 1·10 ³÷1·10⁷ B_Т/M³ cp.

На фиг.2 приведена функциональная схема измерения СПЭО в диапазоне 1·10⁵÷1·10⁷ В_Т/М³.

На этих установках были оценены основные метрологические характеристики фотоприемного устройства измерительного оптического канала.

В таблице 1 приведены значения среднеквадратичной ошибки апроксимации , В_т/М³, максимальное значение облученности на поддиапазоне Е_max, значение приведенной среднеквадратичной ошибки ,%.

В материалах таблицы приведены результаты аттестации шести оптических каналов океанологических измерительных приборов. Аттестация проводилась по трем поддиапазонам каждого оптического канала (поверка №1) и была повторена через 10 месяцев эксплуатации измерительных приборов в экспедиционных условиях (поверка №2).

Приведенный в таблице материал подтверждает правильность методики оценки метрологических характеристик с использованием разработанной и изготовленной установки, которая на данный момент может использоваться как образцовое средство измерения, предназначенное для метрологической поверки (аттестации) на воздухе измерителей спектральной облученности, спектральной яркости и биолюминесценции.

Литература.

1. Костюк А.Ф., Панасюк В.С. и др. Единая система государственных эталонов энергетической фотометрии когерентного и некогерентного оптического излучения. - Измерительная техника, №3, 1976; 17 с.

2. Афонин Е.И., Спиридонов В.В. Погрешности измерения показателя ослабления направленного света морской водой. - МГИ, 1977, №1 (76).

3. Афонин Е.И., Спиридонов В.В. К методике градуировки фотометров для измерения показателя ослабления направленного света. - МГИ, 1972, №1 (57). С.96.

4. Иванов А.П., Хайрулина А.Я. Об определении коэффициента экстинции мутных сред. - ФАО. Из-во АН СССР, 1966, т.2.

5. Спиридонов В.В., Чепыженко А.И., Балахнина Л.А. К вопросу о градуировке прозрачномеров на воздухе. - В кн. Тезисы докладов. 5-ая Всесоюзная научно-техническая конференция "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". - М. 1984. 27 с.

6. Гринштейн М.М., Кучикян Л.М. Фотоэлектрические концентратомеры. Л.: Наука. 1978. 167 с.

7. Дегтярев В.И., Очаковский Ю.Е., Пелевин В.И. Об ошибках при измерении подводной облученности в море. - В кн. Оптика океана и атмосферы. Л.: Наука, 1972, 104 с.

8. Ерлов Н.Г. Оптика моря. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 118 с.

9. Бураковский Т., Гизинский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели (перевод с польского). - Л.: Энергия. 1978, 17 с.

Таблица 1
Результаты метрологической аттестации оптических измерителей.
Номер прибора	Номер поверки	Поддиапазон	, ВТ/М3	EMAXBT/M 3	,%
		1	11,69	495	2,4
01	1	2	2,28	192	1,25
		3	2,61	2023	0,2
		1	1,88	257	0,73
	2	2	0,49	156	0,31
		3	0,92	1323	0,07
		1	0,44	189	0,23
02	1	2	0,37	109	0,34
		3	0,6	320	0,19
		1	0,37	189	0,34
	2	2	0,24	109	0,22
		3	0,15	320	0,05
		1	35,32	459	7,6
03	1	2	1,44	220	0,8
		3	2,55	1647	0,2
		1	0,99	75	1,32
	2	2	0,24	53	0,45
		3	0,06	148	0,04
		1	1,74	94	1,85
04	1	2	0,33	47	0,7
		3	1,92	188	1,02
		1	1,16	94	1,23
	2	2	0,7	48	0,16
		3	1,02	188	0,1
		1	16,7	490	3,4
05	1	2	0,36	65	0,55
		3	1,22	198	0,62
		1	3,60	360	1,00
	2	2	0,35	65	0,5
		3	0,6	280	0,3
		1	2,38	66	3,6
06	1	2	0,33	93	0,35
		3	0,19	18	1,05
		1	0,47	66	0,8
	2	2	0,9	23,8	3,78
		3	0,3	68,5	0,43