RU2198383C2

RU2198383C2 - Procedure measuring photometric characteristics of materials

Info

Publication number: RU2198383C2
Application number: RU2000108608/28A
Authority: RU
Inventors: Э.В. Кувалдин
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2003-02-10

Abstract

FIELD: measurement of such photometric characteristics of materials as reflection, transmission, scattering and other factors. SUBSTANCE: procedure can be employed to measure characteristics of both optical and structural materials as well as such natural materials as soils, plants, etc. Characteristics are measured in various sections of spectrum of optical range of wavelengths. Pulse photometer uses filament lamp. Safe method of its connection, for instance, when current through filament lamp at any moment does not exceed maximum permissible value for given lamp, is selected. Such mode is ensured by microprocessor. Same device synchronizes moment of lamp switching on and moment of measurement of signals in photometer, that is, secures optimum measurement moment. EFFECT: prolonged service life of filament lamp, good spectral characteristics of pulse radiation source, obtainment of all advantages of pulse operation mode of photometer.

Description

Изобретение относится к области измерения фотометрических характеристик материалов, таких как коэффициенты отражения, пропускания, рассеяния и др. Материалы могут быть как оптические, так и конструкционные, а также природные, такие как почвы, растения и пр. Указанные характеристики измеряются в различных участках спектра оптического диапазона длин волн. The invention relates to the field of measuring the photometric characteristics of materials, such as reflectance, transmittance, scattering, etc. Materials can be both optical and structural, as well as natural, such as soils, plants, etc. These characteristics are measured in different parts of the optical spectrum wavelength range.

Области применения приборов для измерения фотометрических характеристик материалов весьма разнообразные: в промышленности для контроля при производстве той или иной продукции, в медицине, в геологии и экологии, а также в научных исследованиях. The fields of application of instruments for measuring the photometric characteristics of materials are very diverse: in industry for monitoring the production of certain products, in medicine, in geology and ecology, as well as in scientific research.

Существует большое число фотометров и спектрофотометров, измеряющих коэффициенты отражения, рассеяния и пропускания. Среди них относительно небольшое количество приборов, работающих в полевых условиях, и совсем мало - измеряющих диффузные коэффициенты отражения в относительно широком спектральном диапазоне в полевых условиях. Это объясняется требованием большого динамического диапазона регистрации излучения в этих приборах, сильным влиянием внешней засветки, ограниченным энергоресурсом, конструктивными особенностями. Поэтому прежде всего в этих приборах нашел применение способ измерения с использованием импульсной газоразрядной лампы в качестве источника излучения [1, 2]. Способы измерения с применением светодиодов и лазеров не рассматриваются, поскольку они предназначены для работы в узких спектральных интервалах. Основные преимущества этого способа состоят именно в обеспечении большого динамического диапазона, уменьшении влияния внешней засветки, экономии энергии источника питания. В приборах, использующих такой способ измерения, как правило, применяется импульсная газоразрядная лампа в качестве источника из лучения[4, 5, 6]. There are a large number of photometers and spectrophotometers that measure reflection, scattering, and transmission coefficients. Among them, a relatively small number of instruments operating in the field, and very few measuring diffuse reflection coefficients in a relatively wide spectral range in the field. This is explained by the requirement of a large dynamic range for detecting radiation in these devices, the strong influence of external illumination, limited energy, design features. Therefore, first of all, a measuring method using a pulsed gas discharge lamp as a radiation source has found application in these devices [1, 2]. Measurement methods using LEDs and lasers are not considered, since they are designed to operate in narrow spectral ranges. The main advantages of this method are precisely in providing a large dynamic range, reducing the influence of external illumination, saving power source power. In devices using this measurement method, as a rule, a pulsed gas discharge lamp is used as a radiation source [4, 5, 6].

К недостаткам таких источников следует отнести нестабильность энергии источника излучения от импульса к импульсу, высоковольтный источник питания, малая эффективность в ИК-области спектра и наличие сильных электромагнитных помех, сопровождающих излучение. В фотометрах [5, 6], предназначенных для измерения коэффициента отражения измеряемого образца, использована геометрия измерения О/D, в приборе "альфа" - геометрия измерения D/О, где D - диффузное освещение или наблюдение и О - освещение или наблюдение по нормали к поверхности образца, но для предлагаемого способа измерения это существенного значения не имеет. В обоих случаях источником освещения служит импульсная газоразрядная лампа, основное достоинство которой - большая энергия излучения и высокий световой КПД в видимой и УФ-областях спектра. К недостаткам способа с применением импульсной газоразрядной лампы следует отнести нестабильность энергии излучения от импульса к импульсу, высоковольтный источник питания, линейчатый спектр, наличие электромагнитных помех, сопровождающих используемое в фотометре излучение, в ряде случаев большие габариты тела свечения. The disadvantages of such sources include the instability of the energy of the radiation source from pulse to pulse, a high voltage power source, low efficiency in the infrared region of the spectrum and the presence of strong electromagnetic interference accompanying radiation. In photometers [5, 6] intended for measuring the reflection coefficient of the measured sample, the O / D measurement geometry is used, in the alpha device, the D / O measurement geometry is used, where D is diffuse lighting or observation and O is lighting or normal observation to the surface of the sample, but for the proposed method of measurement this is not significant. In both cases, the source of illumination is a pulsed discharge lamp, the main advantage of which is a large radiation energy and high light efficiency in the visible and UV regions of the spectrum. The disadvantages of the method using a pulsed discharge lamp include the instability of the radiation energy from pulse to pulse, a high-voltage power supply, a linear spectrum, the presence of electromagnetic interference accompanying the radiation used in the photometer, and in some cases large dimensions of the luminous body.

От этих недостатков в значительной мере свободна лампа накаливания, традиционно используемая в фотометрах для измерения фотометрических характеристик материалов (например, серийные фотометры ФЭК-60, НФО, КФК-2, КФК-3 Загорского оптико-механического завода); однако она потребляет значительную мощность (энергию) от источника питания, нагревает элементы прибора, что приводит к их нестабильной работе. Использование лампы накаливания в кратковременном режиме работы, т.е. включение на время измерения с последующим выключением после измерения, сильно сокращает срок службы дампы накаливания и не позволяет полностью использовать энергию источника излучения, так как в этом случае сигнал на фотоприемнике, соответствующий измеряемой фотометрической характеристике материала, будет пропорционален мощности источника излучения в установившемся режиме работы. Для того, чтобы выйти на этот режим, требуется некоторое время, в течение которого бесполезно расходуется энергия источника излучения. The incandescent lamp, traditionally used in photometers to measure the photometric characteristics of materials (for example, serial photometers FEK-60, NFO, KFK-2, KFK-3 of the Zagorsk Optical and Mechanical Plant), is largely free of these shortcomings; however, it consumes significant power (energy) from the power source, heats the elements of the device, which leads to their unstable operation. The use of an incandescent lamp in short-term operation, i.e. switching on for the duration of the measurement and then turning it off after the measurement greatly reduces the life of the glow plug and does not allow the full use of the energy of the radiation source, since in this case the signal at the photodetector corresponding to the measured photometric characteristic of the material will be proportional to the power of the radiation source in the steady-state operation mode. In order to enter this mode, it takes some time, during which the energy of the radiation source is useless.

Сущность данного изобретения заключается в применении импульсного способа измерения фотометрических характеристик материалов с использованием в импульсном режиме лампы накаливания, при этом для устранения указанных выше недостатков предлагается подобрать ей безопасный режим включения, например такой, в котором ток через лампу в любой момент не превосходит максимально допустимое для данной лампы значение. Такой режим может обеспечиваться микропроцессорным устройством, управляющим блоком питания лампы. Закон изменения тока через лампу в этом случае задается программой микропроцессора и может быть легко подобран оптимальным для данного типа лампы и режима ее работы. В этом случае форма импульса излучения будет определяться этим законом и лампа относительно долго выходит на установившийся режим, соответствующий требуемой для измерения заданных фотометрических характеристик материалов цветовой температуре источника. Поэтому для полного использования энергии источника излучения предлагается в момент достижения требуемой цветовой температуры лампу выключать. Если энергия излучения при этом мала, то лампу выключают несколько позже, когда достигается нужная энергия излучения. В этом случае форма импульса излучения будет иметь относительно пологий передний фронт и экспоненциальный срез, определяемый остыванием выключенной лампы. В этой форме импульса может не быть установившегося режима, но она благоприятна для работы лампы накаливания и обеспечивает хорошую долговечность ее работы. Испытания показали, что в таком импульсном режиме лампа может работать при значительном превышении питающего напряжения над номинальным. Так, в экспериментальном образце накладного фотометра экологического назначения, получившем золотую медаль на международной выставке 1997 г. в Брюсселе, использовано 6 ламп накаливания в импульсном режиме работы при удвоенном относительно номинального напряжении питания. За два года работы прибора ни одна из ламп не вышла из строя. The essence of this invention lies in the use of a pulsed method for measuring the photometric characteristics of materials using an incandescent lamp in a pulsed mode, while to eliminate the above disadvantages it is proposed to choose a safe switching mode, for example, in which the current through the lamp at any time does not exceed the maximum allowable given lamp value. This mode can be provided by a microprocessor device controlling the lamp power supply. The law of change of current through the lamp in this case is set by the microprocessor program and can be easily selected optimal for this type of lamp and its operating mode. In this case, the shape of the radiation pulse will be determined by this law and the lamp will go to a steady state for a relatively long time, corresponding to the color temperature of the source required to measure the specified photometric characteristics of the materials. Therefore, to fully utilize the energy of the radiation source, it is proposed that the lamp be turned off when the desired color temperature is reached. If the radiation energy is low, the lamp is turned off a little later, when the desired radiation energy is reached. In this case, the shape of the radiation pulse will have a relatively gentle leading edge and an exponential cut determined by the cooling of the off lamp. In this form of the pulse there may not be a steady state, but it is favorable for the operation of the incandescent lamp and provides good durability of its work. Tests have shown that in such a pulsed mode, the lamp can operate with a significant excess of the supply voltage over the rated voltage. Thus, in an experimental sample of an overhead photometer for environmental purposes, which received a gold medal at the 1997 international exhibition in Brussels, 6 incandescent lamps were used in a pulsed mode of operation at twice the rated supply voltage. For two years of operation of the device, none of the lamps failed.

Чтобы использовать в фотометре такой импульс излучения предлагается фотоприемное устройство сделать интегрирующего типа с постоянной времени, большей длительности импульса излучения лампы накаливания, т.е. перейти на импульсный способ измерения [3]. В этом случае предложенный импульс излучения лампы накаливания можно считать δ-импульсом излучения, который в импульсном способе измерения является оптимальным. Однако в связи с тем, что передний фронт импульса может быть достаточно растянутым, а измерение желательно производить в момент максимального значения импульса напряжения в фотоприемном устройстве, необходимо этот момент достаточно точно фиксировать. Так как в интегрирующем фотоприемном устройстве происходит затягивание импульса излучения фотоприемным устройством и максимальное значение будет позднее момента достижения максимума импульсом излучения, то в этом случае предлагается для увеличения точности фиксации момента измерения синхронизировать момент измерения с моментом выключения лампы накаливания. Эта функция в фотометрическом приборе может выполняться тем же микропроцессорным устройством. Предлагаемое решение обеспечивает хорошую долговечность лампы накаливания и позволяет получить все преимущества импульсного режима работы фотометра, а именно: экономию энергии источника питания, уменьшение влияния внешних засветок, возможность автоматического поддержания "нуля" прибора, улучшения отношения сигнала к шуму за счет сужения полосы пропускания усилителей в приемных каналах и применения фильтров. In order to use such a radiation pulse in a photometer, it is proposed to make a photodetector of an integrating type with a time constant that is longer than the duration of the incandescent radiation pulse, i.e. switch to a pulsed measurement method [3]. In this case, the proposed radiation pulse of an incandescent lamp can be considered a δ-pulse of radiation, which is optimal in a pulsed measurement method. However, due to the fact that the leading edge of the pulse can be quite extended, and it is desirable to measure at the moment of the maximum value of the voltage pulse in the photodetector, it is necessary to accurately fix this moment. Since the radiation pulse is pulled by the photodetector in the integrating photodetector and the maximum value is later than the moment the radiation pulse reaches its maximum, in this case it is proposed to increase the accuracy of fixing the measurement moment to synchronize the measurement moment with the moment the incandescent lamp turns off. This function in a photometric device can be performed by the same microprocessor device. The proposed solution provides good durability of the incandescent lamp and allows you to get all the advantages of the pulsed mode of the photometer, namely: saving power supply, reducing the influence of external light, the ability to automatically maintain the "zero" of the device, improving the signal-to-noise ratio by narrowing the bandwidth of the amplifiers receiving channels and the use of filters.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения по предлагаемому способу. Помимо указанного выше накладного фотометра, в котором применен предлагаемый способ измерения, этот способ использовался также в накладном фотометре диффузного и смешанного отражения для ИК-области спектра от 1 до 3,5 мкм с пироэлектрическим приемным устройством. Обычно для пироэлектрического приемника излучения требуется модулятор излучения; в данном случае, так как лампа работает в импульсном режиме, модулятор не требуется. В приборе использован микропроцессор 580 серии, который помимо выполнения указанных выше функций управления производит еще расчеты измеряемых величин. Только благодаря применению предлагаемого способа измерения удалось получить в приборе требуемую чувствительность при измерении диффузно отражающих образцов. Information confirming the possibility of carrying out the invention by the proposed method. In addition to the above-mentioned surface-mounted photometer, in which the proposed measurement method is applied, this method was also used in a surface-mounted diffuse and mixed reflection photometer for the infrared region of the spectrum from 1 to 3.5 μm with a pyroelectric receiver. Typically, a pyroelectric radiation detector requires a radiation modulator; in this case, since the lamp is in pulsed mode, a modulator is not required. The device uses a microprocessor of the 580 series, which, in addition to performing the above control functions, also calculates the measured values. Only through the application of the proposed measurement method, it was possible to obtain the required sensitivity in the device when measuring diffusely reflecting samples.

Литература
1. Импульсный метод измерения фотометрических параметров тел./ А.А. Волькенштейн, А.В. Кислов, Э.В. Кувалдин, В.Н. Корнилов, О.М. Михайлов - в кн. Импульсная фотометрия. Л. 1975, вып. 4, с.54-59.Literature
1. The pulse method for measuring photometric parameters tel. / A.A. Volkenstein, A.V. Kislov, E.V. Kuvaldin, V.N. Kornilov, O.M. Mikhailov - in the book. Pulse photometry. L. 1975, no. 4, p. 54-59.

2. А. А. Волькенштейн, Э.В. Кувалдин. Фотоэлектрическая импульсная фотометрия. Л. "Машиностроение", 1975 г. 192 с. 2. A.A. Volkenstein, E.V. Sledgehammer. Photoelectric pulse photometry. L. "Engineering", 1975 192 p.

3. Кувалдин Э. В. Чувствительность фотоэлектрических фотометров с источниками импульсного и непрерывного излучения. ОМП, 7, 1971 г., с.66 и 67. 3. Kuvaldin EV. Sensitivity of photoelectric photometers with sources of pulsed and continuous radiation. WMD, 7, 1971, p.66 and 67.

4. Рефлектометр солнечного излучения "Альфа". СКБ "Химавтоматика" г. Чирчик. 4. Solar reflectometer "Alpha". SKB "Himavtomatika" Chirchik.

5. Reflectometre Portable EL 510. Рекламный проспект фирмы Elan informatique, Франция. 5. Reflectometre Portable EL 510. Advertising brochure for Elan informatique, France.

6. И.Г. Гилевич, Э.В. Кувалдин, С.Н. Цветкова. Новый фотометр для определения коэффициента поглощения солнечного излучения. Ж. "Химия высоких энергий" 1, т. 29, 1995 г., с.53-55. 6. I.G. Gilevich, E.V. Kuvaldin, S.N. Tsvetkova. New photometer for determining the absorption coefficient of solar radiation. J. "Chemistry of High Energies" 1, v. 29, 1995, p. 53-55.

Claims

A method for measuring the photometric characteristics of materials, including irradiating a test object with a pulsed radiation source and measuring the reflected, scattered or transmitted through the radiation measurement object radiation receiver with a integration time constant that is longer than the measured radiation pulse, the pulsed radiation being generated by turning the incandescent lamp on and off, different the fact that the moment of measurement of the pulse signal by the radiation receiver synchronizes with the moment you turning on the lamp.