Оптико-электронные приборы для измерения фотометрических величин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, доктор технических наук Томский, Константин Абрамович

• Томский, Константин Абрамович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Томский, Константин Абрамович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность1 работы

Цель работы и постановка задачи

Методы исследования

Новизна работы

Практическая значимость и реализация результатов работы

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

Личный вклад автора

Апробация работы

Публикации

Структура работы

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ФОТОМЕТРОВ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

1.1. Фотометрические величины и единицы их измерения

1.2. Анализ состояния мирового парка фотометров

1.3. Методы исследования метрологических характеристик

1.3.1.Методы исследования метрологических характеристик

1.4. Анализ динамического диапазона и погрешностей электронного измерительного канала

1.4.1. Физические процессы работы фотодиода

1.4.2. Анализ погрешностей электронного тракта приборов

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. Общая концепция построения приборов для измерения фотометрических величин

2.2. Схемы построения индикаторов и дозиметров УФ излучения

2.3. Обоснование возможности использования фотоприемников и их дополнительные исследования

2.4. Исследование воздействия оптического излучения на материалы музейных экспонатов для определения требований к измерительным приборам

2.5. Введение относительной ультрафиолетовой эффективности для повышения точности оценки воздействующего на музейные материалы облучения

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ФОТОМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

3.1. Проблемы фотометрических измерений в технологических процессах.

3.2. Измерение координат цвета и цветности компактными колориметрами -фотометрами

3.3 Измерения коррелированной цветовой температуры

3.4 Измерение пульсации источников излучения

3.5. Технологические фотометры для обслуживания полиграфической промышленности

3.6. Фотометры серии «ТКА» для контроля качества полиграфической продукции

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОЗДАНИЮ ОПТИЧЕСКОГО ГИГРОМЕТРА-ФОТОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

4.1 Методы и устройства для измерения влажности газов

4.2. Оптические гигрометры на поглощении электромагнитного излучения

4.3. Техника спектрометрии в вакуумной ультрафиолетовой области в применении к задачам гигрометрии

4.4. Оптический гигрометр «ТКА - МК - La - фотометр»

4.5. Преимущества и перспективы использования оптического ВУФ гигрометра - La фотометра «ТКА-МК»

ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОТОМЕТРОВ «ТКА»

5.1. Метрологическое обеспечение фотометрических измерений в Российской Федерации

5.2. Метрологическое обеспечение фотометров «ТКА» для измерения освещенности и яркости

5.3. Метрологическое обеспечение фотометров «ТКА» технологического назначения

5.4. Метрология гигрометрии

5.5. Калибровочный центр «НТП «ТКА»

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЕН ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

6.1. Комбинированный прибор «ТКА-01/3» Люксметр + УФ радиометр для музеев и библиотек

6.2. Фотометры серии «ТКА» для санитарных и медицинских целей

6.3. Фотометры «ТКА» для сельского хозяйства

6.4. Яркомеры «ТКА»

6.5. Колориметры «ТКА - ИЦТ» и «ТКА - РНБ»

6.6. Измеритель пульсации источников излучения «ТКА-Пульс»

6.7. Аппаратурные комплексы «ТКА» и их методическое обеспечение для преподавания основ фотометрии в ВУЗах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронные приборы для измерения фотометрических величин»

Актуальность 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) и энергетических [1,2]. Велика потребность отечественной промышленности в фотометрах технологического назначения - колориметрах, пульсметрах, измерителях дозы видимого и УФ излучений, в измерителях глянца, оптической плотности и т. д. Всего по стране используются десятки тысяч фотометров различного назначения. Все разнообразие этих приборов обеспечивается с точки зрения единства измерений метрологическим научным центром Госстандарта РФ - Всероссийским научно-исследовательским институтом оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) в Москве [3].

К настоящему времени в фотометрии сформировался целый ряд научных проблем. В первую очередь это связано с тем, что в оптике и оптическом приборостроении развивалась общая тенденция расширения диапазона длин волн, в котором используются оптические приборы. Это сказалось как на необходимости создания радиометров работающих в инфракрасной области, так и на создании радиометров в ультрафиолетовом диапазоне вплоть до мягких рентгеновских лучей. Появились и новые научные проблемы, требующие специального подхода к измерениям световых и энергетических потоков. Примером таких проблем являются исследования световых потоков с ракет и спутников Земли, а также исследования синхротронного излучения.

Новые методические подходы последних лет коснулись использования методов фотометрии в измерениях физических величин в неоптических направлениях науки и техники. Хорошо развито к настоящему моменту тепловидение, ведутся работы по радиационному материаловедению, по созданию космических локаторов, по объединению усилий оптиков и теплофизиков в создании новых типов фотометров.

Огромное влияние на состояние парка рабочих фотометров оказали изменения структуры нашей оптической индустрии, а именно: возможность использования импортной техники для измерений и импортных комплектующих изделий для собственных разработок; снятие ограничений на использование отечественных комплектующих изделий в создании приборов; все разработки в первую очередь стали рассматриваться с точки зрения конкурентоспособности на отечественном и мировом рынках.

В СССР на первом месте стояли оборонные задачи часто в ущерб нуждам гражданского приборостроения и нуждам рядового пользователя. На данном этапе политика ведущих научных и производственных центров радикально изменилась. Можно с уверенностью утверждать, что сейчас каждой разработке оптического прибора предшествуют маркетинговые исследования и ни одна серьезная работа не начинается без тщательного экономического обоснования. Как итог такого подхода - появились обширные области деятельности, для существования которых необходимы современные фотометрические приборы. Например: одним из важных потребителей фотометров выступают музеи [4], библиотеки, склады, магазины. Оказалось, что эту часть жизнедеятельности нашего общества необходимо обеспечить недорогими современными фотометрами [5].

Еще одним направлением применения фотометров стали различные технологические процессы, в которых основным выходом является контроль качества продукции [6]. У нас в стране выпускается 680 миллионов различных наименований продукции. И в 10-15% из них технический контроль качества может проводиться оптическими методами. Важным применением рабочих фотометров в народном хозяйстве является аттестация рабочих мест, экология и охрана жизнедеятельности людей [7,8]. В Российской Федерации защита здоровья человека обеспечивается комплексом Законов и нормативных актов, часть которых представлена в таб.1.

Таб. 1 Нормативные документы, предписывающие обязательный контроль световых параметров

Обозначение документа Наименование документа

Постановление МинТруда РФ от 14.11.97 №12 О порядке проведения аттестации рабочих мест по условиям труда.

СанПиН 2.2.2/2.1.1.1278-03 Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещщенному освещению жилых и общественных зданий.

СанПиН 2.2.2.542 96 Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, ПЭВМ и организации работы.

СанПиН 2.2.4.548 96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

СН №4557-88 от 23.02.1988 г. Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях.

СНиП 23-05-95 Строительные нормы и правила. Естественное и искусственное освещение

МУ №1322-75 МЗ СССР Методические указания по проведению предупредительного и текущего надзора за искусственным освещением промышленных предприятий.

ГОСТ РФ 50949-96 Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерения и оценки эргономических параметров и параметров безопасности.

Кроме существенных изменений экономики и науки в нашей стране за последние десять лет произошли серьезные изменения и в технике, используемой для фотометрических измерений. На данный момент существует огромный выбор приемников [9] и источников излучения [10], создано большое количество новых оптических материалов, новых подходов к созданию измерительных приборов широкого применения [11]. Это даёт возможность создания рабочих фотометров современного исполнения, отличающихся от традиционно известных [12] более высокой точностью, малым энергопотреблением, удобством в эксплуатации, хорошим дизайном. Большинство современных фотометрических приборов имеют возможность передачи данных в компьютеры, на которых легко организовать обработку и запоминание сигнала. Кроме этого в современных фотометрах стало возможным использование микропроцессоров, которые имеют собственную «память» и могут обрабатывать измеренный сигнал по заданным программам.

Востребованность фотометрических приборов народным хозяйством определяет актуальность поставленных задач. В начале 90х годов предыдущего столетия существовало два пути решения: либо ориентироваться на импорт измерительной техники, либо налаживать собственное производство. Это необходимо было сделать как можно скорее, так как объявленный переход к рыночным отношениям предусматривал серьезный рост номенклатуры ввозимых товаров, качество которых иногда не соответствовало современным требованиям.

На первом этапе народное хозяйство РФ пошло по пути импорта техники, в том числе измерительной. Тем более что в мире существовало несколько десятков приборостроительных фирм, работающих по принципу: «Тысячу тестеров для тысячи задач», способных поставлять простые, недорогие, надежные, удобные в использовании приборы для различного рода измерений, в том числе фотометрических.

Этот путь для целого ряда отраслей промышленности оказался весьма перспективным. Госстандарт РФ проводил в массовом порядке сертификацию импортной измерительной техники на соответствие нашим национальным стандартам. В Госреестр средств измерений РФ были внесены сотни разных типов приборов, что сделало законным их использование в нашей стране. Тем не менее, второй возможный путь решения проблемы - оснащение отраслей народного хозяйства РФ отечественной продукцией, всегда оставался более привлекательным и более эффективным.

Самым главным аргументом в пользу разработки и создания отечественных средств измерения, в частности, фотометров различного назначения, является общий высокий уровень отечественной оптической промышленности и оптической науки. Общество, запускающее космические корабли и межпланетные станции, со всех точек зрения могло и обязано было обеспечить свою промышленность измерительной оптической техникой.

В рамках данной работы разработка и создание фотометрической измерительной техники развивалось в соответствии с тактической актуальностью возникающих задач в рамках общей стратегии оснащения подавляющего большинства направлений промышленности и технологии.

Таб. 2 Прогноз потребности в фотометрах различного назначения, шт.

Область Люксметры, яркоме- УФ-радиометры, ИК- Колориметры, деятельности ры, пульсметры фотометры денситометры

Машиностроение 45000 5000 3000

Санитарный над- 25000 10000 1000 зор, медицина

Музеи, библиотеки, 20000 10000 5000 кинотеатры

Химическая про- 20000 5000 5000 мышленность

Полиграфическая 5000 3000 10000 промышленность

Пищевая промыш- 15000 8000 3000 ленность

Электротехниче- 10000 2000 1500 ская промышлен- ность

Образование 20000 1000 1000

Всего 160000 44000 29500

В начале 90х [13] годов весьма актуальным было оснащение музеев фотометрами и УФ радиометрами. В соответствии с этим наши разработки в это время в основном были направлены на решение этих проблем. Затем стало очевидным, что аналогичная измерительная техника весьма полезна в здравоохранении, особенно в части радиометрии УФ излучения [14]. С разработкой измерителей влажности, в том числе работающих как фотометры, стало возможным проведения комплексных измерений при аттестации рабочих мест [15]. СоответI ственно, в круг рассматриваемых задач вошли, как наиболее актуальные, измерения параметров микроклимата и окружающей среды [16].

Следующей актуальной тактической задачей стала разработка фотометров специального назначения для контроля цвета, лоска, оптической плотности прозрачных материалов и отражающих покрытий [17]. Здесь актуальность разработок определялась необходимостью иметь средства контроля качества выполнения технологий и качество промышленной продукции. Создаваемая техника этой группы приборов была сориентирована на полиграфическую, лакокрасочную, текстильную промышленность.

С научно-методической стороны актуальность выбранного направления работа состояла в поиске новых решений, которые позволили бы успешно действовать в условиях конкуренции. Суммируя актуальность тактических проблем, итоговая стратегическая актуальность диссертации основана на: востребованности измерительной фотометрической техники в самых различных 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 отечественное программное и метрологическое обеспечение.

Таким образом, к началу работы сложилась ситуация, при которой фотометры нового 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 на основе исследований, разработки и изготовления фотометров различного назначения нового поколения.

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 общей структуры схем измерительных приборов до использования соответствующей элементной базы [18]. 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 измерительной техникой, с современными микропроцессорами, с ЭВМ и т.п.

Большое значение в программе создания фотометров имеют маркетинговые исследования [19]. Современные приборостроительные предприятия не могут выпускать большой объем продукции, не приносящей доход. По этой причине все разработки приборов, выполненные в данной работе, были ориентированы на конкретного потребителя, за счет которого существовало и развивалось производство.

Еще одним блоком проблем, которые необходимо было решить в рамках данной работы, являлись проблемы метрологического обеспечения фотометрических приборов серии «ТКА».

К ним относится создание стендов для градуировки приборов [20], методик поверки, проведения испытаний в Госстандарте РФ с целью утверждения типа, 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 НТП «ТКА».

Кроме чисто приборостроительных задач для успешного развития потребности в качественных фотометрических измерениях обозначилась проблема создания оптического, в первую очередь, фотометрического и светотехнического оборудования для тех ВУЗов, где готовят потенциальных пользователей, потребителей продукции производства [21]. Аппаратурное и методическое решение этой задачи также являлось одной из целей данной работы. В результате, в работе предусматривалось решение следующих проблем:

1. Маркетинговые исследования потребности народного хозяйства в фотометрических рабочих измерительных приборах.

2. Разработка схем фотометрических рабочих приборов.

3. Изготовление фотометров различного назначения.

4. Исследование эксплуатационных и метрологических характеристик фотометров, разработанных на фирме «ТКА»

5. Метрологическое обеспечение выпускаемой продукции.

Все перечисленные проблемы решаются на научно-производственной фирме «ТКА», созданной автором данной диссертации. Работы проводятся в научном, производственном отделах «ТКА» и в калибровочном центре «ТКА», аттестованном Госстандартом РФ в установленном порядке.

Методы исследования

В работе использовались методы фотометрии и радиометрии оптического излучения [22]. В основу созданных приборов положены принципы светотехнических измерений [6, 23, 24], основы колориметрии, а также методы атомно - абсорбционной спектроскопии вакуумного ультрафиолета [25]. 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.

Новые возможности в построении рабочих фотометров в данной работе реализованы за счет использования микропроцессоров. Это позволило сделать приборы более универсальными, более точными, более удобными в обслуживании. Некоторые типы измерителей, такие как колориметры, денситометры, пульсметры и другие вообще могли быть реализованы только в микропроцессорном исполнении.

Существенные новые отличия разработанных в рамках данной программы приборов коснулись метрологического обеспечения [26, 27]. Это относится к созданию градуировоч-ных стендов, и разработке оригинальных методов калибровки, к использованию стандартных справочных данных в метрологическом обеспечении разработанных приборов. В таблице 3 показаны направления научных исследований, являющиеся основным содержанием работы. Условно выделено 4 направления:

Таб.3 Основные направления и научные разработки, выполненные в диссертации

Разработка методов и средств для метрологического обеспечения измерений

-создание методов фотометрии и радиометрии, обеспечивающих калибровку рабочих средств измерения; -разработка специальных и универсальных установок для выполнения калибровочных работ в условиях серийного производства; -разработка и аттестация рабочих эталонов;

-сертификация разработанных средств измерения (СИ), включая, разработку программы испытания, методики поверки и описания типа СИ.

Теоретическое обоснование и схемы построения фотометров нового поколения, в т.ч.:

-измерители фотометрических величин (люксметры, яр-комеры, УФрадиометры); -приборный ряд измерителей УФ-излучения индивидуального пользования;

-фотометры технологического назначения (пульсметры, колориметры, измерители цветовой температуры, денситометры);

-специальные ВУФ-фотометры для измерения неоптических параметров (оптический ВУФ-гигрометр).

Исследование основных характеристик компонентов фотометрических устройств, в т.ч.:

-анализ разброса параметров спектральных характеристик фотоприемных устройств (ФПУ); -разработка алгоритма для индивидуального подбора элементов коррекции;

-поэлементный анализ основных функциональных блоков; -обоснование выбора и расчет элементов ФПУ, ответственного за приведение пространственной характеристики к расчетной; -исследование характеристик оптического датчика влажности на длине волны Lg.

Исследования, обеспечивающие разработку конкретных типов фотометров

-анализ международных, общероссийских и отраслевых нормативных документов, регламентирующих уровни освещенности или требования к измерительным приборам;

-исследования и анализ характеристик и параметров выпускаемых промышленностью приборов и комплектующих; -обоснование методов измерения колориметрических величин;

-маркетинговые исследования перспектив развития рынков фотометрических приборов.

Новизна работы состоит в следующем:

- Разработан и реализован метод определения коррелированной цветовой температуры источников излучения, основанный на переходе из колориметрической системы х,у в рав-ноконтрастную систему и, v.

- Экспериментально доказано преимущество фотоэлектрических колориметров перед спектральными для решения целого ряда прикладных задач, в том числе при оценке цветности экранов мониторов.

- Автором проведены исследования возможности создания фотометра в вакуумной ультрафиолетовой области для измерения влажности воздуха газов и создан принципиально новый измеритель влажности - оптический гигрометр.

- Предложен метод измерения УФ облученности с использованием эффективных величин, реализованный при оценке воздействия оптического излучения на материалы музейных экспонатов.

- Разработан и реализован комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

- Разработаны принципы построения измерителей оптического излучения, созданы оригинальные измерительные установки и исследована элементная база создаваемых измерителей.

- Разработаны принципы построения и создана группа приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

- Разработаны и внедрены в условиях серийного производства алгоритмы и программы расчета погрешности коррекции фотоприемных устройств и обоснованы возможности снижения погрешности измерений.

- Разработан алгоритм и программа расчета коррелированной цветовой температуры источников излучения.

- Разработаны и внедрены в условиях серийного производства методики и средства калибровки фотометров для измерения освещенности, яркости, УФ облученности.

- Предложена метрологическая концепция эталона пульсации световых потоков и создан специальный калибратор для градуировки измерителей пульсации оптического излучения.

- Созданы аппаратно-методические комплексы для обеспечения преподавания основ фотометрии и светотехники в ВУЗах. Написана книга «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники», содержание которых является теоретической основой диссертации.

- Создан ряд оригинальных приборов для измерения излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра на уровне рабочих средств измерения, внесенных в Государственный реестр и предназначенных для решения практических и научных задач.

Практическая значимость и реализация результатов работы

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 [28].

2. В промышленности для контроля освещенности и облученности по условиям труда и техники безопасности [29].

3. В светотехнике [24] широко используются фотометры «ТКА» при измерениях силы света, цветовой температуры и координат цветности источников излучения, при измерении чувствительности фотоприемников, в измерении пропускания светофильтров и коэффициентов отражения непрозрачных объектов.

4. Для контроля уровня освещенности на объектах транспорта и связи [30].

5. В кино и на телевидении для измерения светимости, освещенности, яркости качества цветопередачи на экранах [31].

6. При контроле качества мониторов в компьютерах, контроле качества сканеров при аттестации уровня изготовления оргтехники [32].

7. В библиотеках и в музеях для измерения уровня освещенности и УФ облученности, определяющих световой режим при экспозициях и при хранении [33].

8. В технологических измерениях цвета, белизны, лоска, оптической плотности при контроле качества выполненния технологических процессов в полиграфической, текстильной, лакокрасочной, обувной промышленности.

9. При аттестации рабочих мест и проверки выполнения требований норм санитарного и экологического контроля в рабочих помещениях.

10. В научных исследованиях при необходимости измерять уровень освещения, а также контролировать качество цветопередачи, лоск, белизну, оптическую плотность.

11. В метрологии при измерении характеристик влажности в тех случаях, когда необходимо работать в реальном масштабе времени при сохранении высокой точности измерений.

12. В метрологии как образцовое средство (эталон) второго разряда при передаче размера единиц уровня освещенности, экспозиционной дозы и других величин.

Кроме перечисленных направлений имело место практическое использование фотометров «ТКА» 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 научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Теоретические основы и принципы построения многоканальных фотометров нового поколения.

2. Методики формирования основных сквозных характеристик фотоприемных устройств.

3. Алгоритмы для расчета параметров и компьютерной обработки результатов измерений фотометрами широкого применения (люксметры, УФ-радиометры, яркомеры, пульсмет-ры) и фотометрами технологического назначения (колориметры, денситометры, блеско-меры и т.п.), а также для прецизионных и эталонных измерителей фотометрических величин.

4. Методики измерения коррелированной цветовой температуры колориметрами интегрального типа, основанные на переходе из системы координат х,у в равноконтрастную систему и, v.

5. Концепция создания группы приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ-излучения.

6. Комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное и серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

7. Принципы построения и основы создания микропроцессорных колориметров интегрального и спектрального типа, позволяющие проводить измерения координат цветности источников излучения в соответствии с требованиями отечественных и международных стандартов.

8. Методики оценки воздействия УФ-излучения на музейные художественные ценности при введении в качестве относительной ультрафиолетовой эффективности условного приемника, спектральная чувствительность которого соответствует табулированным значениям кривой Direct Pigmentation.

9. Теоретические основы и принципы построения фотометров-гигрометров как эталонов абсолютной влажности и методика их градуировки по физическим константам.

10. Метрологическое обеспечение серии фотометров «ТКА» нового поколения соответствующее мировому уровню и являющееся основой для обеспечения единства измерения фотометрических величин на территории Российской Федерации.

11. Решение важной практической задачи — народное хозяйство Российской Федерации оснащено набором современных рабочих приборов - фотометров различного назначения, обеспечивающих потребность в измерениях большинства отраслей страны.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в решении поставленной задачи в первую очередь состоит в создании Научно - производственного предприятия «ТКА» где автор является основным организатором всех сторон деятельности, обеспечивающих научное, техническое и финансовое состояние фирмы. Автор лично является идеологом номенклатуры и 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 «Оптические измерения» [2] и монография «Светотехнические измерения» [6] написаны 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 [34]. Под руководством автора созданы и исследованы приборы для измерения 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 [34 ,35, 36] является личной инициативой автора.

Личный вклад автора в решении поставленной задачи в целом и в её основополагающих разделах является определяющим.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: - Всероссийской конференции «Оптика, стекло, лазеры - 95», СПб, 1995г.

Международном семинаре «Оптика, инновация - 96» 1996г. Лейпцигская инновационная ярмарка, Лейпциг

Международной конференции «Физическая метрология» СПб, 1996 г.

- Международная конференция «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях» СПб, 1996 г.

- Четырех научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» Москва, 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2004г.

- Международных конференциях «Безопасность музеев», Новгород, 1993 г., Москва, 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.

- III международном симпозиуме по измерению влажности, 2002 г., Тайбей, Тайвань.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 75 печатных работ, среди них монография «Светотехнические измерения» и учебные пособия «Оптические измерения» (раздел «Фотометрические измерения») и «Основы светотехники», 5 депонированных в Министерстве науки РФ НИОКР. В материалах конференций и семинаров опубликовано 40 докладов, 2 патента и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. При проведении Госиспытаний 7 типов фотометров составлены руководства по эксплуатации, методики измерений, методики поверки, описания типов для Госреестра РФ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 216 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 23 таблицы и 203 наименования библиографического указателя. Приложения содержат документы об использовании результатов работы и научный раздел маркетинговых исследований.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Томский, Константин Абрамович

Основные результаты работы:

1. Разработаны конструкции и поставлены на производство рабочие приборы для измерения фотометрических величин: освещенности, яркости, УФ-облученности и УФ-экспозиции. 7 типов фотометров по результатам госиспытаний включены в Госреестр средств измерений РФ.

2. Разработана конструкция и поставлены на производство фотометры технологического назначения — приборы для измерения координат цвета и цветности, измерители цветовой температуры, измерители лоска, белизны, оптической плотности прозрачных и непрозрачных объектов, измерители пульсации источников излучения. Измерители цвета изготовлены как для определения координат цвета самосветящихся объектов, так и для отражающих покрытий с учетом их освещения различными типами стандартных источников света (А, В, С, D). Разработан метод определения коррелированной цветовой температуры, который использован в приборе «ТКА-ИЦТ», предназначенном для исследования и аттестации источников света.

3. Проведены исследования возможности создания фотометра в вакуумной ультрафиолетовой области для решения одной из важных измерительных задач -измерения влажности воздуха (газов). Введено в измерительную практику использование абсорбционной фотометрии ВУФ в анализе состава газов. Создан оптический гигрометр, позволяющий измерять влажность воздуха в газах и в газовых потоках в реальном масштабе времени с индикацией всех основных характеристик влажности: абсолютной влажности, относительной влажности, температуры точки росы.

4. Реализован комплекс научно-технических решений, обеспечивающий прецизионное серийное производство оптических элементов и модулей с требуемой погрешностью измерений.

5. Создана группа приборов индивидуального пользования для индикации безопасного уровня УФ излучения.

6. В фотометрах, когда реализуется косвенные измерения - в колориметрах, измерителях белизны, пульсметрах, оптических гигрометрах в конструкцию включен микропроцессор отработка на программ по которым проводятся измерения, предусмотрена связь с компьютером. Это позволило повысить класс прибора и расширить потенциальный круг потребителей.

7. Для ряда приборов созданы средства метрологического обеспечения. Разработан специальный калибратор для градуировки измерителей пульсации оптического излучения «ТКА-Пульс». Разработан генератор влажного воздуха для исследования оптического гигрометра, создан и аттестованы в установленном порядке стенды для градуировки всех типов фотометров «ТКА».

8. Создано научно-техническое предприятие «ТКА», основной деятельностью которого является научно-технические разработки, направленные на поиск оптимальных вариантов схем фотометров и методов их метрологического обеспечения. При фирме «ТКА» создан калибровочный центр, аккредитованный органами Госстандарта. В калибровочном центре разрабатывается научно-техническая документация, необходимая для выпуска приборов и для проведения государственных испытаний: технические условия, руководства по эксплуатации, методики поверки, описания типа для включения в Госреестр средств измерений, программы испытаний. По желанию заказчиков калибровочный цент организует государственную поверку с выдачей свидетельства установленного образца.

9. Проведено несколько десятков поисковых научно-исследовательских работ по решению научных проблем, связанных с созданием рабочих фотометрических приборов. Все результаты внедрены в производство фотометров «ТКА».

10. Созданы аппаратно-методические комплексы для обеспечения преподавания основ фотометрии и светотехники в ВУЗах. Изготовлен комплект приборов для учебных лабораторий и разработаны методические материалы.

11. Написана книга «Светотехнические измерения» и учебное пособие «Основы светотехники», содержание которых является теоретической основой диссертации. Рассмотрены основы фотометрии, основы теории теплового излучения, линейчатого излучения атомов и молекул. Кратко рассмотрены принципы создания современных источников света, приемников излучения и современных спектральных приборов, использование которых важно в спектрофотометрии. Отдельное внимание в книге уделено метрологическому обеспечению фотометрии.

12. Показано, что потребность народного хозяйства в рабочих фотометрах может быть удовлетворена отечественными разработками, соответствующими мировому уровню приборостроения. Это утверждение основано на результатах презентации приборов «ТКА» на международных выставках, на симпозиумах и семинарах. Возможность осуществления калибровки, ремонта и поверки измерительной техники на территории РФ также способствует укреплению позиций фирмы «ТКА» на отечественном рынке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Томский, Константин Абрамович, 2004 год

1. ГОСТ 26148 84 Фотометрия, термины и определения, с. 8.

2. Ишанин Г.Г., Козлов М.Г., Томский К.А. Основы светотехники. Учебное пособие СПб.:Изд. «Береста», 2004. 290 с.

3. Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений». 1996.

4. Козлов М.Г., Томский К.А. Светотехнические измерения. СПб.:Изд. СпбУТиД, 2004. 307 с.

5. Томский К.А. Свет: комфорт, безопасность, экономия//Индустриальный Петербург. 2000. №3. С. 16

6. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Стерликов А.В., Томский К.А. Рекомендации по применению измерителей оптического излучения и параметров микроклимата серии «ТКА»: Материалы пленума ГСЭН. М. ФЦ ГСЭН:, 2004. с.173-179

7. Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, В.П. Челибанов. Приемники излучения. СПб, Папирус,2003.

8. Ишанин Г.Г. Панков Э. Д. Андреев А. Л. Полыциков Г. В. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург «Политехника». 1991.

9. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Стратегия НТП «ТКА» в создании современных средств измерения оптического излучения: Тез. докл. 4-ой Международной светотехнической конференции. Вологда, 2000. с.61

10. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: Энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экономическим и медицинским измерениям. М.: ИПК Издательство стандартов. 2002.

11. В. Праль, инж., Г. Ресслер, докт. (Германия) Освещение музеев: проблемы и требования. «Светотехника» N 5 б, 1993г

12. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест//Проблемы информатизации. 1999. вып.4. С.93-95

13. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Опыт разработки приборов для контроля параметров микроклимата // Элтех. 2000. С. 1 б-18

14. Козлов М.Г., Томский К.А., Троицкий А.С. Фотометры контроля качества полиграфической продукции // Измерительная техника. 2004. №. С.35-38

15. Томский К.А. Создание новой техники. Современная стратегия // Индустрия.2002. №2. С.27

16. Томский К.А. Элементы маркетинга фотометрических приборов. Анализ и оценка потребности в основных сегментах рынка. // Светотехника 2004. №4, С.38-39

17. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Производство и сертификация средств измерения//Инновация. 2003. №.7 С. 91-92

18. Кузьмин В.Н., Троицкий А.С., Томский К.А. Научное, методическое и приборное обеспечение курса «Светотехника» (для технических ВУЗов). НИОКР. Заказчик Фонд СРМФП. Per. № 13989. 2003

19. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.

20. Основы оптической радиометрии/ под ред. проф. А.Ф. Котюка.- М.: Физматгиз,2003, С.153-156

21. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (Фотометрия). M.-JL: Госэнергоиздат, 1962. - 463.

22. А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. М., Главная редакция физико-математической литературы, 1967.

23. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. О сертификации средств измерения: Тез. докл. 5-ая Международная светотехническая конференция. СПб., 2003.с. 196

24. Барбар Ю.А., Кузьмин В.Н., Томский К.А. Поверка или калибровка? Практическая метрология измерительных приборов //Индустрия. 2003. №11. С.50

25. ОСТ 32-9-81. ССБТ. Нормы искусственного освещения объектов железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 198931

26. Кузьмин В.Н., Ершов К.С., Томский К.А. Современные методы и средства измерения оптического излучения при кинопоказе. Кинофототехника. Научно-технические достижения и передовой опыт: Материалы конференции. Метрология кинопоказа. Москва, 2002. с.40

27. Кузьмин В.Н., Томский К.А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест//Проблемы информатизации. 1999. вып.4. С.93-95

28. Иванов Ю.П., Томский К.А. Рекомендации по нормированию освещенности в музеях и библиотеках. М.: Управление музеев Министерства культуры РФ, 1997. 14 с.

29. Козлов М.Г., Томский К.А. Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов. Патент РФ per. № 2003137918 от 29.12.2003

30. Денисюк А.И., Кузьмин В.Н., Николаев С.Е., Сафронов С.В., Томский К.А. Программа обработки данных устройства для определения цветовой3639.