ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Зміст
Ведення

Глава 1. Загальні поняття

1.1. Термін Еталон

1.2. Термін Яскравість

Глава 2. Вимірювання яскравості

2.1. Засоби вимірювання

2.2. Методи вимірювання

2.3. Перевірка засобів вимірювань

Глава 3. Загальні поняття про скло

3.1. Поняття про скло

3.2. Властивості скла

3.3. Фізичні властивості скла

3.4. Поняття про молочне скло

3.5. Поняття про матове скло

Глава 4. Математична модель

4.1 Загальне уявлення

4.2 Формування яркісного нуля розсіювачем з молочного з скла

4.3 Математичний опис тіла напруження випромінювача

Глава 5. Спектральные приборы

5.1 Спектральные приборы

Глава 6. Розрахункова частина

6.1
Висновок
Примітки
Список літератури

Ведення

Розвиток промисловості і торгівлі в епоху першої промислової революції зажадало уніфікації одиниць в міжнародному масштабі. Початок цьому процесу було покладено 20 травня 1875 підписанням 17 країнами (у тому числі Росією , Німеччиною , США , Францією , Англією ) Метричної конвенції , до якої в подальшому приєдналися багато країн. Відповідно до цієї конвенції було встановлено міжнародне співробітництво в галузі метрології . У Севрі , розташованому в передмісті Парижа , було створено Міжнародне бюро мір і ваг ( МБМВ ) з метою проведення міжнародних метрологічних досліджень і зберігання міжнародних еталонів . Для керівництва МБМВ був заснований Міжнародний комітет мір і ваг ( МКМВ), що включає консультативні комітети по одиницях і ряду видів вимірювань. Для вирішення принципових питань міжнародного метрологічного співпраці стали регулярно проводити міжнародні конференції, звані Генеральними конференціями з мір та ваг ( ГКМВ ) . Всі країни, які підписали Метричну конвенцію , отримали прототипи міжнародних еталонів довжини ( метр ) і маси ( кілограм) . Були також організовані періодичні звірення цих національних еталонів з міжнародними еталонами, що зберігаються в МБМВ. Тим самим метрична система одиниць вперше отримала міжнародне визнання. Однак після підписання Метричної конвенції були розроблені системи одиниць для різних областей вимірювань - СГС , СГСЕ , СГСМ , МТС , МКС , МКГСС . Знову виникає проблема єдності вимірювань , вже між різними областями вимірювань. І в 1954 р. ХГКМВ попередньо , а в жовтні 1960 XI ГКМВ остаточно приймають Міжнародну систему одиниць SI , яка з незначними змінами діє по теперішній час. На наступних засіданнях ГКМВ в неї неодноразово вносилися зміни та доповнення. В даний час система одиниць SI регламентована стандартом ІСО 31 і по суті є міжнародним регламентом , обов'язковим для застосування . У нашій країні стандарт ІСО 31 затверджено як державний стандарт ГОСТ 8.417-02 . Вимірювання - сукупність операцій для визначення ставлення однієї ( вимірюваної ) величини до іншої однорідної величиною , прийнятої за одиницю , що зберігається в технічному засобі ( засобі вимірів) . Вийшло значення називається числовим значенням вимірюваної величини , числове значення спільно з позначенням використовуваної одиниці називається значенням фізичної величини . Вимірювання фізичної величини дослідним шляхом проводиться за допомогою різних засобів вимірювань - заходів , вимірювальних приладів , вимірювальних перетворювачів , систем , установок і т. д. Вимірювання фізичної величини включає в себе кілька етапів: 1 ) порівняння вимірюваної величини з одиницею ; 2 ) перетворення у форму , зручну для використання (різні способи індикації) .

ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН - величини , за визначенням вважаються рівними одиниці при вимірюванні інших величин

такого ж роду . Еталон одиниці виміру - її фізична реалізація . Так , еталоном одиниці виміру « метр » служить стрижень довжиною 1 м.

В принципі , можна уявити собі яке завгодно велике число різних систем одиниць , але широке поширення одержали лише декілька. У всьому світі для наукових і технічних вимірювань і в більшості країн в промисловості та побуті користуються метричної системою .

У системі одиниць для кожної вимірюваної фізичної величини повинна бути передбачена відповідна одиниця виміру . Таким чином , окрема одиниця виміру потрібна для довжини , площі , обсягу , швидкості і т.д. , і кожну таку одиницю можна визначити , вибравши той чи інший еталон. Але система одиниць виявляється значно більш зручною , якщо в ній всього лише кілька одиниць обрані як основних , а інші визначаються через основні . Так , якщо одиницею довжини є метр , еталон якого зберігається в Державній метрологічній службі , то одиницею площі можна вважати квадратний метр , одиницею об'єму - кубічний метр , одиницею швидкості - метр в секунду і т.д.

Поняття про фізичної величині - одне з найбільш загальних у фізиці та метрології. Під фізичною величиною розуміється властивість , загальне в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів ( фізичних систем , їх станів і які у них процесів ) , але в кількісному відношенні індивідуальне для кожного об'єкта. Так , всі тіла володіють масою і температурою , але для кожного з них ці параметри різні . Те ж саме можна сказати і про інших величинах - електричному струмі , в'язкості рідин або потоці випромінювання.

Для того щоб можна було встановити відмінності в кількісному змісті властивостей в кожному об'єкті , що відображаються фізичною величиною , вводиться поняття розміру фізичної величини .

Історично першою системою одиниць фізичних величин була прийнята в 1791 р. Національними зборами Франції метрична система заходів . Вона не була ще системою одиниць у сучасному розумінні , а включала в себе одиниці довжин , площ, об'ємів , місткості і ваги , в основу яких були покладені дві одиниці : метр та кілограм.

У 1832 р. німецький математик К. Гаусс запропонував методику побудови системи одиниць як сукупності основних і похідних. Він побудував систему одиниць , в якій за основу були прийняті три довільні , незалежні один від одного одиниці - довжини , маси і часу. Всі інші одиниці можна було визначити за допомогою цих трьох . Таку систему одиниць , пов'язаних певним чином з трьома основними , Гаусс назвав абсолютною системою . За основні одиниці він прийняв міліметр, міліграм і секунду.

Надалі з розвитком науки і техніки з'явився ряд систем одиниць фізичних величин , побудованих за принципом, запропонованим Гауссом , що базуються на метричній системі мір , але відрізняються один від одного основними одиницями .

Розглянемо найголовніші системи одиниць фізичних величин.

Система СГС . Система одиниць фізичних величин СГС , в якій основними одиницями є сантиметр як одиниця довжини , грам як одиниця маси і секунда як одиниця часу , була встановлена в 1881 р.

Система МКГСС . Застосування кілограма як одиниці ваги , а в подальшому як одиниці сили взагалі , привело в кінці XIX століття до формування системи одиниць фізичних величин з трьома основними одиницями : метр - одиниця довжини , кілограм - сила - одиниця сили і секунда - одиниця часу.

Система МКСА . Основи цієї системи були запропоновані в 1901 р. італійським вченим Джорджі. Основними одиницями системи МКСА є метр , кілограм , секунда і ампер.

Завжди існувала потреба вимірюванти чого не будь, cкільки води пролилось чи скільки хвилин пройшло. Але щоб вимірювати треба мати еталон з чим можну було порівняти. Наприклад яскравість можна виміряти застосовувавши яскравоміри, відносна спектральна чутливість яких повинна відповідати відносної спектральної світлової ефективності монохроматичного випромінювання для денного зору. Але потрібен також еталон яскравості з яким можна було б порівнювати. В даній роботі розглянуто такий прилад.

Глава 1. Загальні поняття

1.1. Термін Еталон

Еталон (одиниці фізичної величини) — засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам вимірювальної техніки, що стоять нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як еталон

Еталон (рос. эталон, англ. standbard, нім. Etalon m)- міра або вимірювальний прилад, який призначений для відтворення, зберігання і передачі одиниць будь-якої фізичної величини. Еталон, який затверджено в межах країни називається Державним еталоном. Існують еталони частоти, маси, довжини, часу тощо.

Еталон (одиниці фізичної величини) — засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам вимірювальної техніки, що стоять нижче,офіційно затверджений як еталон[1].

Усі основні одиниці фізичних величин відтворюються з найвищоюточністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються у Міжнародному бюро мір та ваги у спеціальних лабораторіях у місті Севр поблизу Парижа. Програмою діяльності цього бюро передбачені систематичні зіставлення національних еталонів провідних метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою. Основне призначення еталонів — бути матеріальною базою для відтворення та збереження одиниць фізичних величин.

Класифікація еталонів:

• Первинний еталон — еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці фізичної величини найвищою в країні (у порівнянні з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю[1].

• Спеціальний еталон — еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці в особливих умовах і замінює в цих умовах первинний еталон[1]. Застосовуються для відтворення одиниць в особливих умовах, коли пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота тощо).

• Державний еталон — первинний або спеціальний еталон, затверджений офіційно як державний[1]. Визнається спеціально уповноваженим центральним органом виконавчої влади у сфері метрології як основа для встановлення значень усіх еталонів даної одиниці вимірювання, що є у державі. Державні еталони є основою технічної бази державної метрологічної системи. В Україні статус державних еталонів надається первинним еталонам, створення і вдосконалення яких здійснюється відповідно до державних науково-технічних програм, які розробляються ЦОВМ, з метою забезпечення потреб життєдіяльності людини, економіки і оборони України[2] та інших сфер.

• Вторинний еталон — еталон, якому передається розмір одиниці фізичної величини від первинного або спеціального еталона[1].

• Еталон-копія — вторинний еталон, який призначається для передавання розміру одиниці фізичної величини робочим еталонам (зразковим з вимірювальної техніки) [1].

• Еталон передавання — вторинний еталон, що призначається для взаємного звіряння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо[1].

• Еталон-свідок — вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Він має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується тільки тоді, коли державний еталон не можна відтворити.

• Робочий еталон — еталон, призначений для передачі розміру фізичної величини зразковим засобам вимірювальної техніки, а в окремих випадках - робочим засобам вимірювальної техніки[1]. Робочі еталони використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держспоживстандарту України, а з дозволу Держспоживстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної.

1.2. Термін Яскравість

Яскравість джерела світла[3] - це світловий потік , що посилається в даному напрямку, поділений на малий ( елементарний ) тілесний кут поблизу цього напрямку і на проекцію площі джерела[4] на площину, перпендикулярну осі спостереження . Інакше кажучи - це відношення сили світла, випромінюваного поверхнею, до площі її проекції на площину, перпендикулярну осі спостереження .

У визначенні , даному вище , мається на увазі , якщо розглядати його як загальне , що джерело має малий розмір, точніше малий кутовий розмір. У випадку, коли мова йде про істотно протяжної світиться поверхні , кожен її елемент розглядається як окреме джерело . У загальному випадку , таким чином , яскравість різних точок поверхні може бути різною. І тоді , якщо говорять про яскравість джерела в цілому , мається на увазі взагалі кажучи усереднена величина . Джерело може не мати певної випромінюючої поверхні (світиться газ , область розсіювання світла середовища , джерело складної структури - наприклад туманність в астрономії , коли нас цікавить його яскравість в цілому не зважаючи на його розміри), тоді під поверхнею джерела можна мати на увазі умовно обрану обмежує його поверхню або просто прибрати слово " поверхня" з визначення .

У Міжнародній системі одиниць (СІ ) вимірюється в канделах на м . Раніше ця одиниця виміру називалася ніт ( 1нт = 1кд/1м ) , але в даний час стандартами на одиниці СІ застосування цього найменування не передбачено. Існують також інші одиниці виміру яскравості - стильб ( сб), апостільб[5] ( АСБ ) , ламберт ( Лб ). Вот так вони пов’язанні між собою:

1 АСБ = 1 / сб = 0,3199 нт = Лб .

На примітку(Типова яскравість дисплея комп'ютера коливається від 80 до 120 нітов.)

Взагалі кажучи яскравість джерела залежить від напрямку спостереження , хоча в багатьох випадках випромінюють або дифузно розсіюють світло поверхні більш-менш точно підпорядковуються закону Ламберта , і в цьому випадку яскравість від напрямку не залежить. Останній випадок ( при відсутності поглинання або розсіювання середовищем - див. нижче ) дозволяє у визначенні розглядати і кінцеві тілесні кути і кінцеві поверхні (замість нескінченно малих в загальному визначенні ) , що робить визначення більш елементарним , однак треба розуміти , що в загальному випадку ( до якого при вимозі більшої точності відносяться і більшість практичних випадків) визначення повинне грунтуватися на нескінченно малих або хоча б фізично малих ( елементарних ) тілесних кутах і майданчиках. У разі поглинає або розсіює світло середовища видима яскравість , звичайно , залежить і від відстані від джерела до спостерігача . Але саме введення такої величини як яскравість джерела мотивовано не в останню чергу саме тим фактом , що у важливому окремому випадку непоглинаючих середовища ( в тому числі вакууму) видима яскравість від відстані не залежить , в тому числі в тому важливому практичному випадку , коли тілесний кут визначається розміром об'єктива ( або зіниці) і зменшується з відстанню (падіння з відстанню від джерела сили світла точно компенсує зменшення цього тілесного кута). Існує теорема , яка стверджує , що яскравість зображення ніколи не перевершує яскравості джерела[6] .

Яскравість L , світлова величина , що дорівнює відношенню світлового потоку до фактору геометричному :

Тут - заповнений випромінюванням тілесний кут , dA - площа ділянки , що випускає або приймає випромінювання , - кут між перпендикуляром до цієї ділянки і напрямом випромінювання. Із загального визначення яскравості слідують два практично найцікавіших приватних визначення: Яскравість , випромінювана поверхнею dS під кутом до нормалі цієї поверхні , дорівнює відношенню сили світла I , випромінюваного в даному напрямку , до площі проекції поверхні, що випромінює на площину , перпендикулярну даному напрямку :

Яскравість

Яскравість - відношення освітленості E в точці площини, перпендикулярної напрямку на джерело , до елементарного тілесного кута, в якому укладено потік , який створює цю освітленість :

Глава 2. Вимірювання яскравості

2.1. Засоби вимірювання

Мал.2.1 Яркомер-Люксметр Аргус-12

Для вимірювань слід застосовувати Яскравоміри, відносна спектральна чутливість яких повинна відповідати відносної спектральної світлової ефективності монохроматичного випромінювання для денного зору з ГОСТ 8.332-78 з похибкою не більше ± 10 %. Чутливість яркоміра повинна бути визначена за допомогою зразкових світловимірювальних ламп по ГОСТ 8.023-83 з похибкою не більше ± 5 %. Нелінійність світловий характеристики яркоміра в діапазоні вимірювань не повинна перевищувати ± 2 %. Засоби вимірювання освітленості повинні відповідати ГОСТ 24940-81 .

2.2. Методи вимірювання

Вимірювання яскравості можна проводити одним з наступних трьох методів:

а) Прямий метод вимірювання середньої яскравості робочої поверхні за допомогою фотоелектричного яркомера, що має відлік показань безпосередньо в одиницях яскравості.

б) Непрямий метод вимірювання середньої яскравості робочої поверхні за допомогою вимірювання яскравості окремих елементарних майданчиків цієї поверхні фотоелектричним яскравомірами з наступним усередненням:

де - середня яскравість робочої поверхні , кд / м;

L - Яскравість і-й елементарної площадки робочої поверхні, кд / м;

і - Порядковий номер елементарної площадки робочої поверхні;

n - Кількість елементарних майданчиків робочої поверхні.

Непрямий метод вимірювання середньої яскравості поверхні за допомогою вимірювання освітленості окремих її елементарних

майданчиків з наступним усередненням і перерахунком за формулою:

де - Li освітленість i-й елементарної площадки поверхні , лк;

k- Коефіцієнт перерахунку .

Коефіцієнт перерахунку k для робочих поверхонь, що мають дифузне відображення , визначається відношенням

де - коефіцієнт відбиття робочої поверхні.

Коефіцієнт перерахунку для поверхонь, що мають направлено- розсіяне відбиття (наприклад поверхню дорожнього покриття) , залежить від просторового розташування світлових приладів щодо поверхонь .

З урахуванням ймовірного напрямку лінії зору водіїв автотранспорту для поверхні проїзної частини вулиць визначають за певною методикою.

Перед проведенням вимірів повинна бути забезпечена підготовка фотометрованих ділянок і засобів вимірювання відповідно до їх експлуатаційної документацією. Вимірювання проводять в нормальних кліматичних умовах по ГОСТ 21552, якщо інше не встановлено нормативними документами (НД) на фотометрованих ділянки. Вимірювання проводять не раніше ніж через 20 хв після включення живлення, якщо не прелус-мотрен інший режим технічною документацією на виріб і програмою випробувань. Вимірювання параметрів зображення проводять в п'яти ділянках екрану, якщо інше не встановлено методами вимірювання конкретних параметрів:

- У центрі робочого поля екрану, тобто на перетині його діагоналей;

- По діагоналях на відстані від кутів робочого поля, составляюшей 0,1 довжини діагоналі.

Вимірювання параметрів зображення проводять як в затемненому приміщенні, так і за наявності штучного зовнішнього освітлення. Освітлення екрану має бути дифузним або кут падіння світла повинен бути рівний або більше 45 "щодо нормалі до площини, дотичної поверхні екрану в його центрі. Яскравість зображення L на екрані, що складається з двох складових: яскравості випромінювання Lізл і відображеної яскравості Lотp, обумовленої зовнішнім освітленням , розраховують за формулою:

L = Lізл + Lотр

Яскравість зображення визначають безпосереднім виміром яскравості екрана за допомогою яркомера, або визначають окремо яскравість випромінювання і відбиту яскравість. Вимірювання яскравості випромінювання проводять в затемненому приміщенні при освітленості екрану, що не перевищує 5 лк. Відображену яскравість вимірюють при вимкненому дисплеї і діафрагмі яркомера, що перекриває більше 1,0% площі екрана. Допускається відображену яскравість Lотр розраховувати за формулою:

Lотр = Е * Рд

де Е - освітленість екрана, лк;

Рд - коефіцієнт дифузного відбиття екрана.

Значення Е задають виходячи з нормативних даних на фотометрованих ділянки і методів випробування конкретних параметрів, але не менше 250 лк. Значення Рд визначають за додатком стандарту. Допускається застосовувати значення Рд, вказане в нормативних даних на фотометрованих ділянки. При вимірі яскравості оптичну вісь яркомера орієнтують паралельно нормалі до площини, дотичної поверхні екрану в його центрі. Використовувану діафрагму яркомера і відстань фотометрірованія встановлюють в методах вимірювання конкретних параметрів. Вимірювання візуальних ергономічних параметрів проводять на спеціальних тест-зображеннях, встановлених в методах вимірювання конкретних параметрів. Тест-зображення повинні відповідати найвищому стандарту розкладання з підтримуваних фотометрованих ділянок конкретного типу відповідно до нормативних документів на них. Для вимірювання параметрів зображення проводять початкову установку яскравості фотометрованих ділянок. Для цього відтворюють тест-об'єкт у вигляді світлої ділянки в центрі екрану з розмірами, що перевищують розмір одного знакоместа, і однорідною яскравістю, що відповідає нижньому рівню кодування яскравістю. Задають фіксоване значення освітленості у вертикальній площині екрану, але не менше 250 лк. При вимірах в затемненому приміщенні використовують задане значення освітленості для обчислення відображеної яскравості L за формулою. При роботі в умовах освітленого приміщення задану освітленість у вертикальній площині екрану створюють від зовнішнього джерела світла. За допомогою органів управління, розташованих в фотометрованих ділянках, встановлюють яскравість зображення тест-об'єкта L2 в центрі екрану, рівною або більше 35 кд/м2. При цьому растр на екрані повинен бути ледь помітний, а контрастність тест-об'єкта і фону з урахуванням відображеної яскравості повинна бути не менше 3:1. Для багатобарвних фотометрованих ділянок початкову установку яскравості проводять у білому кольорі, якщо інше не зазначено в нормативних документах на фотометрованих ділянки. Після початкового встановлення яскравості регулювання яскравості органами управління, розташованими в фотометрованих ділянці, не допускається. Зміна яскравості при випробуваннях проводять шляхом системного завдання рівня кодування яскравістю.

При вимірюванні світлових величин (наприклад, сили світла) фізичним

об’єктивним методом замість фотометричної голівки використовують фотоелемент, що розміщується на фотометричній лаві. Фотоелемент повинен

буди захищений від стороннього світла для запобігання додатковим похибкам при вимірюванні. Для цього використовують тубус з декількома внутрішніми перегородками у вигляді кілець, які повинні запобігти виникненню впливу похибок від розсіяного світла. Вся поверхня тубуса повинна бути пофарбована чорною матовою фарбою.

Щоб зрівняти відому силу світла одного джерела з невідомою силою світла іншого джерела, можна користуватися різними прийомами, але всі вони базуються на вимірі реакції приймача на потік випромінювання від джерел світла. Загальна схема вимірювання наступна. По обидві сторонни фотометричної лавки встановлюють лампи.

Передбачається можливість їх пересування на каретках. Встановлюють світлозахисні екрани й щити, які захищають фотоелемент від попадання на нього світла від інших джерел, відбитого й розсіяного світла. Між лампами на каретці фотометричної лавки кріпиться приймач випромінювання, з пристроєм, який при попаданні на приймач випромінювання світла покаже значення реакції приймача іф (як правило, це гальванометр).

Виведення розрахункової формули при необхідності дають через чутливість приймача. Компенсаційний спосіб – полягає в тому, що фотоелемент, розташований на каретці між джерелами випромінювання, по черзі повертається до кожного з них. Пересуванням каретки з фотоелементом

добиваються однакового рівня освітленості на світлочутливій поверхні фотоелемента, а саме рівних значень реакції приймача на освітленість (наприклад, фотострум).

У ланцюзі приймача при різних рівнях освітленості виникає різний фотострум. Зміняючи відстані між приймачами й лампами простим пересуванням каретки з фотоелементом по лавці, добиваються нульових показників пристрою. Виконують відлік відстаней і розраховують за відомою формулою. Цей спосіб дає змогу швидко й досить точно перевірити значення

сили світла великої кількості ламп.

При його використанні слід особливу увагу приділити підбору фотоелементів, їх чутливість повинна бути однаковою на однакові світлові потоки. Для цього рекомендується проводити періодичну перевірку характеристик приймачів.

2.3. Перевірка засобів вимірювань

Перевірка - сукупність дій, виконуваних для визначення або оцінки похибок. Перевірки бувають державні ( позапланові ), обов'язкові ( при виробництві приладу ) і періодичні . При перевірці порівнюються заходи або показники вимірювальних приладів з більш точною зразковою мірою або з показаннями зразкового приладу . Клас точності зразкового приладу повинен бути на 3 одиниці вище вивіреного .Операції перевірки засобів вимірювань входить попередній зовнішній огляд і перевірка комплектності приладу. Перевірка проводиться за повірочної схемою , складеної технологом.

Під методами повірки розуміють методи передачі розміру одиниць фізичної величини. В основу класифікації застосовуваних методів повірки покладено такі ознаки, відповідно до яких кошти вимірювань можуть бути повірені:

- Без використання компаратора або приладу порівняння, тобто безпосереднім звіренням вивіреного СІ з еталонним СІ того ж виду;

- Звіряючи вивіреного СІ з еталонним СІ того ж виду за допомогою компаратора або інших засобів порівняння;

- Прямим вимірюванням вивіреним СІ значення фізичної величини, що відтворюється еталонної мірою;

- Прямим вимірюванням еталонним СІ значення фізичної величини, що відтворюється піддається перевірці мірою;

- Непрямим виміром величини, що відтворюється мірою або вивіреним приладом, піддаються перевірці;

- Шляхом незалежної (автономної) повірки.

При перевірці методом безпосереднього звірення встановлюють необхідні значення вимірюваної величини X і порівнюють свідчення вивіреного приладу Хп і еталонного приладу Хе. Різниця між їхніми показаннями буде визначати абсолютну похибка вивіреного приладу, яку приводять до нормованого значенню для отримання зведеної похибки.

Основною перевагою методу безпосереднього звірення є простота і відсутність необхідності застосування складного обладнання. Метод звірення за допомогою компаратора (приладу порівняння) застосовують тоді, коли неможливо або складно порівняти свідчення двох приладів або двох заходів. Вимірювання в цьому випадку виконують шляхом введення в схему повірки компаратора, що дозволяє побічно порівнювати дві однорідні або різнорідні фізичні величини. Компаратором може бути засіб вимірювань, однаково реагує на сигнал еталонного і вивіреного засоби вимірювань.

Наприклад, при звіряння мір опору, ємності й індуктивності в якості компаратора використовують мости постійного або змінного струму. При порівнянні мір опору та ЕРС - потенціометри. Метод прямих вимірювань полягає в прямому вимірі вивіреним приладом значення фізичної величини відтворюваної мірою. Практична реалізація методу прямих вимірювань пред'являє до заходів такі вимоги:

- Можливість відтворення мірою тієї ж фізичної величини, в одиницях якої проградуйована вивіреному засіб вимірювань;

- Достатній для перекриття всього діапазону вимірювання вивіреного засоби вимірювань діапазон фізичних величин відтворюваних мірою;

- Відповідність точності заходи, а в ряді випадків і її типу і плавність змін розміру вимогам, які пред'являються в нормативних документах (НД) за повірку даного засобу вимірювань.

Суть методу непрямих вимірювань полягає в наступному: проводять прямі вимірювання кількох фізичних величин за допомогою еталонних СІ і отримують значення X 01, X 02, ..., X 0m. Потім, використовуючи відому функціональну залежність f між цими величинами і величиною, яка вимірюється вивіреним приладом, визначають дійсне значення величини, тобто знаходять результат опосередкованого вимірювання за формулою:

Q0 = f (X 01, X 02, ..., X 0m)

Метод використовується тоді, коли дійсні значення величин, що вимірюються вивіреним засобом вимірів неможливо або важко визначити прямим виміром чи коли непрямі виміри більш прості або точні.

Наприклад, перевірка електричного лічильника активної енергії за допомогою зразкового ваттметра та секундоміра. За свідченнями ваттметра визначають значення потужності P0 і підтримують її незмінною протягом часу t0, яке у свою чергу визначається по еталонному секундоміром. Тоді дійсне значення енергії W0 можна розраховувати за формулою:

W0 = P0 t0.

При виконанні повірки методом непрямих вимірювань слід враховувати той факт, що кінцевий результат і похибка опосередкованого вимірювання залежить від складових похибок прямих вимірювань. Автономна повірка це повірка без застосування еталонних засобів вимірювань (СІ). Вона застосовується при розробці особливо точних СІ, які неможливо або дуже складно повірити одним з розглянутих вище методів повірки зважаючи на відсутність ще більш точних СІ з відповідними межами вимірі. Суть цієї повірки, яка найбільш часто використовується для повірки приладів порівняння, полягає в порівнянні величин, відтворюваних окремими елементами вивіреного СІ з величиною, обраної в якості опорної і конструктивно відтворюється в самому вивіреному СІ. Наприклад, при перевірці m-ної декади потенціометра необхідно переконатися в рівності падінь напруг на кожній n-ної щаблі цієї декади. Для цього, вибравши в якості опорної величини опір першого ступеня декади, можна по черзі порівнювати за допомогою компаратора падіння напруги на кожній n-ної сходинки з падінням напруги на цьому опорі. Метод трудомісткий, але має високу точність.

Реалізація розглянутих вище методів повірки здійснюється за допомогою способів комплектної і поелементного повірки.

Комплектному повірці засіб вимірювань перевіряють у повному комплекті його складових частин, без порушення взаємозв'язків між ними. Похибки, які при цьому визначають, розглядають як похибки, властиві вивіреним засобу вимірювань як єдиного цілого. При цьому засіб вимірів перебуває в умовах, максимально наближених до реальних умов експлуатації, що дозволяє в ході перевірки виявити багато характерних вивіреним засобу вимірювань недоліки: дефекти внутрішнього монтажу, несправності перемикаючих пристроїв і т.п. З урахуванням простоти і хорошою достовірності результатів, комплектної повірці завжди, коли це можливо віддають перевагу.

У разі неможливості реалізації комплектної повірки, зважаючи на відсутність еталонних засобів вимірювань, невідповідності їх вимогам точності або меж вимірювань, застосовують поелементну повірку. Поелементна повірка засобів вимірювань це повірка, при якій його похибки визначають за погрішностей окремих частин. Потім за отриманими даними розрахунковим шляхом визначають похибки, властиві вивіреним засобу вимірювань як єдиного цілого. При цьому припускають, що закономірності взаємодії окремих частин засобу вимірювань точно відомі, а можливості сторонніх впливів на його свідчення виключені і піддаються точному обліку.

Іноді застосування поелементного повірки виявляється єдино можливим. Часто її використовують при перевірці складних СІ, що складаються з компаратора з вбудованими в нього зразковими мірами. Слід особливо відзначити, що за результатами поелементного повірки, якщо дійсна похибка перевищує допустиму, то можна безпосередньо встановити причину несправності СІ.

Істотним недоліком поелементного повірки є її трудомісткість і складність реалізації в порівнянні з комплектною повіркою.

Глава 3. Загальні поняття про скло

3.1. Поняття про скло

Силікати - це сполуки діоксиду кремнію з оксидами інших хімічних елементів. Основою їх будови є тетраедри SiО4, що можуть бути ізольованими, здвоєними, з'єднаними в ланцюги, стрічки, кулі, каркаси, а також їхні комбінації. Силікати дуже поширені. Вони становлять понад 80% маси оболонки Землі (земної кори та її мантії), а також понад 90% маси гірських порід Місяця. На земній кулі до силікатів належать польові шпати, олівін (мінерал змінного хімічного складу - 2SiО4, оливково-зеленого, жовтувато-зеленого кольору, іноді безбарвний, використовується у виробництві вогнетривких матеріалів); хризоліт - коштовне каміння, буває природним або штучним; піроксени (група мінералів, що найчастіше використовують в ювелірній справі); амфіболи (група породоутворюючих мінералів, тобто кремнекисневих сполук магнію, заліза, кальцію, іноді алюмінію і лугів; використовується як обробне й облицювальне каміння, поширені в межах України); слюди (група мінералів поширених за межами України), що використовують у електро- і радіотехніці - породоутворюючі мінерали гранітів, базальтів та інших гірських порід.

Силікати застосовують як будівельні матеріали, сировину для виготовлення будівельних і вогнетривких матеріалів, керамічних виробів тощо. На базі силікатів засновано виробництво скла. Деякі забарвлені силікати використовують як коштовне та обробне каміння. В Україні родовища обробного каміння є в Донбасі, Карпатах, у Криму та інших регіонах. Це нефрит, лазурит, содаліт, родоніт, малахіт, авантюрин, рожевий кварц, агат, яшма, лабрадорит, везувіан, кам'яна сіль, гіпс, мармур, ангідрит тощо. Кращі види агату, бурштину та деяких мінералів відносять до коштовних.

Силікатними виробами є: посуд зі скла і кераміки, будівельні вироби на основі вапна і кварцового піску. Виготовлення силікатних виробів полягає у приготуванні вапняно-кремнеземистої суміші, формуванні з неї виробів (пресуванням, вібруванням) і подальшій обробці їх насиченою парою в автоклавах. До найпоширеніших силікатних виробів відносять силікатну цеглу, стінові камені, блоки і панелі, плити покриттів і перекриттів з конструктивного і конструктивно-теплоізоляційного силікатного бетону, тепло- і звукоізоляційні плити з піно- і газосилікату тощо. Крім вапна і кварцового піску, при виготовленні силікатних виробів використовують відвальні металургійні шлаки, золи ТЕС тощо.

Скло — це твердий аморфний матеріал, що утворюється при переохолодженні мінерального розплаву. Склом називають також вироби з такого матеріалу - скло будівельне, тарне, хіміко-лабораторне, художнє. Розрізняють скло природне (вулканічне) і штучне. Останнє відоме людству кілька тисячоліть. Його виготовляли в Стародавньому Єгипті, Месопотамії, Китаї (V - III тис. до н.е.), Стародавньому Римі (І ст. до н.е.). На території України скло виготовляли з III- IV ст. У Київській Русі було поширене виготовлення скляних прикрас, смальти тощо.

Смальта (емаль) - це кольорове непрозоре (глушене) скло у вигляді невеликих кубиків або пластинок, з яких викладали мозаїки. Розрізняють так звану прозору смальту (зі скляної маси, в яку додано вогнетривкі барвники) і глуху, або опалову (зі скляної маси, глушеної оксидами сурми, олова, арсену, сполуками фтору або фосфору). Відома також срібна і золота смальта, отримана пресуванням у гарячому стані двох шарів скла з кольоровою фольгою між ними. Смальта стійка до атмосферного впливу, століттями не втрачає свого вигляду і свіжості кольорів. її виготовляли ще в стародавніх Єгипті, Римі, Греції. Нею доповнювали кам'яні мозаїки. У Київській Русі смальтові мозаїки використовували ще у XII ст.: наприклад, Софійський та Михайлівський Золотоверхий собори у Києві.

Вважають, що наукові основи виготовлення кольорового скла у Росії заклав М.В.Ломоносов. Скло застосовують майже в усіх галузях господарства і побуті. На його основі створено мікрокристалічні матеріали - сигнали, скловолокнисті матеріали, піноматеріали (піноскло) тощо. Скло буває органічним і неорганічним. Оптично прозорі тверді матеріали на основі органічних полімерів, наприклад поліметилметак-рилат, називають органічним склом.

Характеристика головних видів скла

Скло неорганічне - аморфний матеріал, отриманий під час охолоджування мінерального розплаву, який в результаті зростання в'язкості набуває властивостей твердого тіла. За певних умов, особливо при температурі 700—1000 °С, може кристалізуватися. На відміну від кристалічних матеріалів неорганічне скло не має певної точки плавлення. При нагріванні у відповідному температурному інтервалі воно поступово розм'якшується, переходячи з твердого крихкого стану в тягучий високов'язкий і далі - у рідкий стан - скломасу. У разі охолодження в тому самому температурному інтервалі відбувається зворотний процес - поступове перетворення скломаси на скло. Основною сировиною для виробництва неорганічного скла є головні або скло утворюючі матеріали - кварцовий пісок, сода, вапняк, доломіт, поташ, бура, каолін, пегматит, свинцевий сурик тощо. Допоміжними матеріалами є сульфат натрію, селітра, триоксид арсену і сурми, фториди, пероксид марганцю, селен, оксиди хрому, міді, кобальту заліза тощо.

За основними склоутворюючими матеріалами розрізняють неорганічне скло оксидне (наприклад, скло силікатне та його різновиди), галогенідне (фтороберилатне) та халькогенідне.

Виготовлення неорганічного скла полягає переважно у підготовці (просіюванні, сушінні, змішуванні) сировинних матеріалів, плавленні їх у скловарних печах з одержанням скломаси, формуванні з неї пресуванням, видуванням, пресовидуванням та іншими способами) скляних виробів, випалюванні їх (нагріванні до температури 450-600 °С і поступовому охолодженні), щоб запобігти розтріскуванню, а також у механічній, хімічній, термічній або термохімічній обробці.

Неорганічне скло буває прозорим і непрозорим, забарвленим і незабарвленим. Головною його характеристикою є світлопропускання (82-92%), густина - 2,2-8 см3, твердість за мінералогічною шкалою - 4,5-7,5; границя міцності на стискання - 102-2х103 МПа, при згинанні - 50—150 МПа, термічна стійкість - 80-800 °С, температурний коефіцієнт розширення (5-100) 10 -7 1 °С, коефіцієнт теплопровідності -0,7-1,3 Вт (мк), електропровідність, діелектрична проникність - 3,8-16. Неорганічне скло застосовують переважно у будівництві (здебільшого листове скло), для виготовлення тари і посуду. Крім того, є скло технічне, що захищає від іонізуючого випромінювання; скло зі змінним світлопропусканням (фотохромне)рскло для твердотілих лазерів; скло з підвищеною прозорістю в ультрафіолетовій сфері спектра (увіолеве); скло оптичне та ін.

Різновидом неорганічного скла є силікатне - скло на основі оксидів кремнію. Найпростішим за хімічним складом є кварцове скло, яке містить до 99,9% оксиду кремнію.

Основними різновидами силікатного скла є: скло боралюмо-_ і бороалюмосилікатне - з підвищеним вмістом відповідно оксидів бору (2-26%), алюмінію (3-25) й бору та алюмінію (2-16 та 2-10%); скло лужносилікатне просте - з високим вмістом оксидів натрію або калію, наприклад розчинне скло, скло лужносилікатне складне, яке містить також оксиди кальцію, магнію тощо, а також кришталь.

Густина силікатного скла - 2,2 - 8 г/см3 , світлопропускання - до 91%. Показник заломлення світла - 1,45-2,0, термічна стійкість - 90-200 °С (кварцового скла - до 800 °С). Силікатне скло має низький коефіцієнт теплопровідності: має високий електричний опір (1012 - 1014 Ом-см). Його міцність підвищують (до 300 -1000 МПа) гартуванням і фізико-хімічною обробкою поверхні. У світлофільтрах, сигнальних засобах забарвлюють або регулюють спектральне світлопропускання введенням до складу скла сполук кадмію, кобальту, хрому, заліза, фтору та інших хімічних елементів.

Із силікатного скла виготовляють посуд, скляну тару, будівельне (листове) скло. Скло з високим вмістом свинцю і барію використовують у виробництві оптичного і радіаційно-оптичного скла (стійкого, захисного). Боро-, алюмо- і бороалюмосилікатне скло з високими діелектричними властивостями застосовують у виготовленні технічного скла - електровакуумного, електротехнічного, хіміко-лабораторного, термометричного, оптичного (крон), світлотехнічного тощо.

Кришталеве скло (свинцево-калієве або з вмістом оксиду барію) містить від 18 до 38% оксидів свинцю. Допускається вміст оксидів заліза лише у вигляді слідів (понад 0,01%). Крім того, вази, художній посуд, скульптуру малих форм виготовляють з прозорого, так званого гірського кришталю. Вироби з кришталю прикрашають гравіруванням, огранкою, різьбленням, шліфуванням та домішкою різних фарб. Завдяки цьому вони починають відбивати яскраві й багатобарвні промені світла. Скло з домішкою оксиду свинцю було відоме ще в Стародавньому Римі. Вироби з такого скла виготовляли і в Київській Русі (м. Київ та ін.). Індивідуальним почерком, характерними рисами й особливостями відзначаються твори майстрів художників кришталю Київського заводу художнього скла, заснованого у 1882 р. Колекція виробів українського кришталю зберігається в Київському музеї українського народного декоративного мистецтва. Широко відомі вони і за межами України.

Художнє скло відоме як вид декоративно-ужиткового мистецтва. Це посуд, скульптура, архітектурні деталі, мозаїка зі смальти, вітражі, світильники, біжутерія. Вироби з художнього скла (амулети, печатки, мініатюрні флакони) відомі в Єгипті та Сирії з III тис. до н.е. На території України художнє скло відоме з III—IV ст. Майстерні художнього скла відкриті під час археологічних досліджень у с. Комарове Чернігівської обл.; на території Києва (Печерська лавра) X-XI ст.). У ХІІ-ХШ ст. склярство існувало на Галицько-Волинських землях, у м. Колодяжині Житомирської області. У ХУІ-ХІХ ст. діяли майстерні гутного скла: найдавніші - у містах Белза, Потелич (на Львівщині).

Художнє скло в Україні інтенсивно розвивалося у XVIII - першій половині XIX ст. З нього виготовляли посуд для пиття, барильця, дзбани у вигляді птахів, ведмедів тощо способом вільного видування, які оздоблювалися ліпленням, матовим грануванням, розписами емалевими або олійними фарбами. У XIX ст. виробництво художнього скла занепало. Зараз відомі такі осередки художнього скла, як Київський завод художнього скла, Львівське виробниче об'єднання "Веселка", Романівський (смт Дзержинськ Житомирської обл.), Стрийський (Львівська обл.), Артемівський (Донецька область) заводи. Художні вироби зі скла виготовляють спеціалізовані підприємства (міста Маріуполь, Дніпропетровськ, смт Щирець Львівської обл. та ін.).

Особливе місце посідає мистецтво гутного скла, яке відродилося як народна творчість на Львівщині у 40 - 50-х роках. Діє гутний цех Львівської кераміко-скульптурної фабрики Художнього фонду України. Колекції виробів із художнього скла зберігаються і вдало прикрашають численні музеї України: Київський музей українського народного декоративного мистецтва, Український музей етнографії та художнього промислу у Львові, музей Київського заводу художнього скла та ін.

Для виготовлення посуду використовують скло вапняно-натрієве, вашіяно-натрієво-калієве, свинцеве (кришталеве), цинкбаритове і боросилікатне. Основними матеріалами для виготовлення скла (склоутворюючими) є: скляні піски (кремнезем), борний ангідрид, оксид алюмінію, сода, сульфат натрію, поташ, вапняк, крейда, доломіт, магнезит, свинцевий сурик, оксид цинку.

Допоміжні сировинні матеріали включають барвники, глушники, знебарвлювачі, освітлювачі, відновлювачі, окиснювачі та прискорювачі варіння скломаси.

3.2. Властивості скла

Скло - неорганічне изотропное речовина , матеріал , відомий і використовується з найдавніших часів. Існує і в природній формі , у вигляді мінералів ( обсидіан - вулканічне скло) , але в практиці - найчастіше, як продукт стеклоделия - однієї з найдавніших технологій в матеріальній культурі. Структурно - аморфна речовина , агрегатно відноситься до розряду - тверде тіло. У практиці присутня величезна кількість модифікацій , що припускають масу різноманітних утилітарних можливостей , определяющихся складом , структурою , хімічними і фізичними властивостями.

Незалежно від їх хімічного складу і температурної області затвердіння , скло має фізико- механічними властивостями твердого тіла , зберігаючи здатність оборотного переходу з рідкого стану в склоподібний (дане визначення дозволяє спостерігати , що фігурально до стекол , в розширювальному значенні , відносять всі речовини за аналогією процесу утворення і ряду формальних властивостей , так званого склоподібного стану - на цьому вона вичерпується , оскільки матеріал , як відомо , перш за все характеризується своїми практичними якостями , які і визначають більш сувору детермінацію стекол як таких в матеріалознавстві ) .

В даний час розроблені матеріали надзвичайно широкого , воістину - універсального діапазону застосування , чому служать і властиві спочатку (наприклад , прозорість , відбивна здатність , стійкість до агресивних середовищ , краса і багато інших) і не властиві раніше склу - синтезовані його якості ( наприклад - жаростійкість , міцність , биоактивность , керована електропровідність і т. д.). Різні види стекол використовується у всіх сферах людської діяльності: від будівництва , образотворчого мистецтва , оптики , медицини - до вимірювальної техніки , високих технологій і космонавтики , авіації і військової техніки. Вивчається фізичної хімією та іншими суміжними і самостійними дисциплінами .

У твердому стані силікатні скла досить стійкі до звичайних реагентів (за винятком плавикової кислоти) , і до дії атмосферних чинників. На цій властивості грунтується їх найширше застосування : для виготовлення предметів побуту , шибок , стекол для транспорту , склоблоків та багатьох інших будівельних матеріалів , предметів медичного , лабораторного , науково- дослідного призначення , і в багатьох інших областях.

Для спеціальних цілей випускають хімічно - стійке скло , а також скло , стійке до тих чи інших видів агресивних впливів.

3.3. Фізичні властивості

Щільність скла залежить від його хімічного складу. Вважається , що мінімальну щільність має кварцове скло - 2200 кг/м3. Менш щільними є боросилікатниє скла ; і, навпаки , щільність стекол , що містять оксиди свинцю , вісмуту , танталу досягає 7500 кг/м3. Щільність звичайних натрій -кальцій - силікатних стекол , в тому числі віконних , коливається в межах 2500-2600 кг/м3. При підвищенні температури з кімнатної до 1300 ° С щільність більшості стекол зменшується на 6-12 % , тобто в середньому на кожні 100 ° С щільність зменшується на 15 кг/м3.

Модуль Юнга (модуль пружності ) стекол також залежить від їх хімічного складу і може змінюватися від 48.103 до 12.104 МПа. Наприклад , у кварцового скла модуль пружності складає 71,4 · 103 МПа. Для збільшення пружності оксид кремнію частково заміщають оксидами кальцію , алюмінію , магнію , бору . Навпаки , оксиди металів знижують модуль пружності , так як міцність зв'язків МеO значно нижче міцності зв'язку SiО . Модуль зсуву 20 000-30 000 МПа , коефіцієнт Пуассона 0,25.

Міцність : У звичайних стекол межа міцності на стиск становить від 500 до 2000 МПа ( у віконного скла близько 1000 МПа). Межа міцності на розтяг у скла значно менше , саме тому межа міцності скла при вигині вимірюють межею міцності при розтягуванні . Дана міцність коливається в межах від 35 до 100 МПа. Шляхом загартовування скла вдається підвищити його міцність в 3-4 рази. Іншим способом підвищення міцності є іонообмінна дифузія . Також значно підвищує міцність стекол обробка їх поверхні хімічними реагентами з метою видалення дефектів поверхні (найдрібніших тріщин , подряпин і т. д.).

Твердість скла , як і багато інших властивості , залежить від домішок. За шкалою Мооса вона складає 6-7 Од , що знаходиться між твердістю апатиту і кварцу. Найбільш твердими є кварцове і малощелочное боросиликатное скло. Із збільшенням вмісту лужних оксидів твердість скла знижується. Найбільш м'яке - свинцеве скло.

Крихкість. В області відносно низьких температур (нижче температури плавлення ) скло руйнується від механічної дії без помітної пластичної деформації і , таким чином , відноситься до ідеально крихким матеріалами (поряд з алмазом і кварцем ) . Дана властивість може бути відображено питомої ударної в'язкістю. Як і в попередніх випадках , зміна хімічного складу дозволяє регулювати і це властивість : наприклад , введення брому підвищує міцність на удар майже вдвічі. Для силікатних стекол ударна в'язкість становить від 1,5 до 2 кН / м , що в 100 разів поступається залозу.

Теплопровідність скла досить незначна і дорівнює 0,0017-0,032 кал / (см · с · град ) або від 0,711 до 13,39 Вт / (м · К). У шибок ця цифра дорівнює 0,0023 ( 0,96 ) .

Температура плавлення. Скло - термопластичний матеріал , при нагріванні воно поступово розм'якшується і в рідину. Плавлення відбувається в деякому температурному інтервалі , величина якого залежить від хімічного складу скла. Нижче температури склування Тс скло набуває крихкість. Для звичайного силікатного скла Тс = 425 - 600 ° С. Вище температури плавлення скло стає рідиною. При цих температурах стекломасса переробляється у вироби .

Скло - хімічно досить стійкий матеріал. Кислоти, за винятком плавикової і фосфорної, практично не діють на скло. Однак немає такого скла, які б зовсім не реагували з водою і лугами. При тривалому впливі лугів на скло відбувається його вилуговування, зміна складу, виду і властивостей. При дії води відбувається гідроліз скла, в результаті якого певна кількість лугу і інших розчинних компонентів переходить у воду; їх можна визначити титруванням 0,01 н. АЛЕ Чим більше кислоти пішло на титрування, тим менш стійким до впливу води було скло.

По відношенню до дії води скла ділять на п'ять гідролітичних класів.
До класу I відносять скла, практично незмінні водою, до класу V-незадовільні скла; до класу II відносяться стійкі скла; до класу III-тверді апаратні; до класу IV-м'які апаратні скла.

Більшість силікатних стекол, що випускаються промисловістю, відносяться до кордону класів II і III або до початку класу III.
Найбільшою хімічної стійкістю по відношенню до води і кислим агресивних середовищ має кварцове скло, але по відношенню до лугів воно теж малостійкі, як і інші скла. Наприклад, при впливі на кварцове скло концентрованої НС1 протягом 120 год при 20 ° С втрата в масі скла становить 25 мг / см 2, а при дії на те ж скло 1%-го розчину NaOH протягом того ж часу і при тій же температурі втрата в масі становить 160 мг / см 2.
Таким чином, хімічна стійкість скла в першу чергу визначається його складом: скло хімічно більш стійко з великим вмістом малорозчинних окислів алюмінію, бору, цинку, свинцю, магнію і менш стійко з великим вмістом добре розчинних окислів лужних і лужноземельних металів.
Проте хімічна стійкість скла залежить і від його обробки. Так, вона підвищується після видування скла з скломаси, а також після відпалу в печах, атмосфера яких містить сірчистий ангідрид. Це пояснюється тим, що при високій температурі між сполуками лужних металів, що входять до складу скла, і газами, що містяться в навколишньому скло атмосфері, протікає реакція, причому лише на поверхні скла.

Цей процес умовно називається обесщелачіваніем поверхні скла.

3.4. Поняття про молочне скло

Мал.3.1 Молочне скло

Молочне скло – Непрозоре біле скло молочного відтінку. Його отримують шляхом додавання в скляну масу окису олова.

Найбільш поширеним видом скла , виготовлявся в Сирії ще з давнини , було так зване « молочне » , до складу якого входила суміш польового і плавикового шпату . Нині при використанні меншої кількості цієї домішки отримують опалове скло. Зразки витончених за формою судин молочного скла сирійського виробництва представлені в колекціях Ермітажу та інших великих музеїв. Шість арабських ламп 13-15 ст. , Наявні в колекції Ермітажу, демонструють високий рівень розвитку цього виду мистецтва. Це - реакція наших склодувів на прославився в той час дуже цінний мейсенський фарфор . Місцеві майстри почали наслідувати фарфору з німецького Мейсена - з останньої третини 18 -го століття робиться наголос саме на виробництво виробів з молочного скла: сервізів , ваз , фляг і багато чого іншого .

У секції розписного скла відвідувачів напевно зацікавить колекція в стилі модерн , де представлені рідкісні екземпляри зі славнозвісних майстерень того часу, що дозволяє скласти досить повне враження про рівень борскошеновского виробництва на переломі 19 -го і 20 -го століть.

Скло фтористі і фосфатні в процесі технологічної наводки скла в прозорій скломасі виділяють не розварені з'єднання в умовах перенасиченого розчину фтором або фосфатом , іншими глушниками скла. Ці нерозваренні частинки мають показник заломлення , що відрізняється від скломаси , і роблять скло непрозорим , яке за зовнішнім виглядом схоже на " тверде молоко" . Незвичайну кристалізацію скла називають заруханіем і характеризують розміром (близько 100нм , 200Нм і 1 мкм) кристалів і числом кристалів (близько 100'000шт ) в 1мм3 .

Дифузійний коефіцієнт світлопропускання ( Т). Світлорозсіюючі скла мають спрямованим проникаючим світлопрпусканням , якщо на відстані 100мм нитку розжарення лампи потужністю 100Вт , випромінюючої світло в червоній області спектру:

не проглядається - молочне , непрозоре біле скло (однорідні включення 1мкм ) ;

проглядається приглушено - це опалове , опаліновим скло (однорідні включення 200Нм ) ;

проглядається переливчасто - опалесцентні скло (однорідні включення 100нм ) .

Дисперсійний коефіцієнт світловідбивання (R). Оптичне молочне скло забезпечує - об'ємний розсіює ефект. Світловий потік заломлюється на однорідних включених скла і розсіюється. Однорідні включення в склі мають різні коефіцієнти світло переломлювання , світло заломлюється і розсіюється на однорідних включених , чим і визначається ефект заглушених , або опалових , непрозорих молочних стекол. Оптична якість глушіння скла є непомітним , що не значним , або при якому утворюється непрозоре , відбиває і , частково , поглинає скло.

Таким чином , спостерігаються явища : відображення , розсіювання світла на однорідних включених скла , поглинання . На це іноді не звертають належної уваги , що призводить до непорозумінь.

Візуальний колір світлорозсіюючого скла. При малих розмірах і низької концентрації частинок глушника у відбитому світлі опалові скла мають голубувате забарвлення , а в що проходить - червонувату ( опалове , опаліновим скло). При великих розмірах і високої концентрації частинок глушника скло відображає і пропускає світло не вибірково і має молочно - біле забарвлення (молочне скло).

Дифузійний коефіцієнт світлопропускання ( Т). Світлорозсіюючі скла мають спрямованим проникаючим світлопрпусканням , якщо на відстані 100мм нитку розжарення | лампи потужністю 100Вт , випромінюючої світло в червоній області спектру:

не проглядається - молочне , непрозоре біле скло (однорідні включення 1мкм ) ;

проглядається приглушено - це опалове , опаліновим скло (однорідні включення 200Нм ) ;

проглядається переливчасто - опалесцентні скло (однорідні включення 100нм ) .

На сьогодні матове скло - це невід'ємний елемент в сучасному інтер'єрі. Цей вид стекол широко використовується в меблевій галузі при збірці і монтажі офісних перегородок і міжкімнатних дверей , при виготовленні стільниць ( барних стійок , журнальних і обідніх столів).

Розрізняють 2 -а види матових стекол : сатиноване скло ( сатінат ) і піскоструминне .

Піскоструминне матове скло отримують при обробці поверхні стекол піском і стисненим повітрям під тиском. Піскоструминна обробка застосовується в основному при нанесенні матового малюнка на стеклах або дзеркалах .

У тому випадку , коли потрібна матова суцільна поверхня , застосовуються сатінат - скло , яке отримують в заводських умовах методом хімічного травлення .

Сатінат в порівнянні з піскоструминним склом має шовковисту і більш рівну поверхню , на ньому не залишаться відбитки від пальців , і воно більш виграшно у візуальному плані.

Все більшої популярності набувають відеопроектори . Їх роздільна здатність і яскравість вже безпосередньо конкурують з великими плазмовими і РК- телевізорами. А в осяжному майбутньому , вони явно будуть у виграші по співвідношенню «ціна / розмір зображення ». Але для нормальної роботи відео проектора необхідний екран , бажано великий . Екрани для відеопроекторів зрозуміло є у продажу . Проте всі вони призначені для розташування проектора « ззаду » , як в кінотеатрі. Але у відеопроектора є один істотний недолік - шум вентилятора , що охолоджує потужну проекційну лампу. Тому проектор намагаються встановити або в спеціальному боксі , або винести в інше приміщення і використовувати екран, що працює на просвіт.

Екран, що працює на просвіт являє собою матове скло. Застосувати матовий напівпрозорий екран з «молочного » Огрскло ( плексигласу ) не вдасться. Оскільки матовий шар повинен бути дуже тонким і зображення повинне проектуватися на ньому . А матове скло просто поглинає світло і робить зображення каламутним і неяскравим . Тому використовується поліроване скло з нанесеним на нього матовим тонким шаром , бажано грубозернистим . Матовою стороною скло повинне бути звернене до глядачів.

3.5. Поняття про матове скло

Мал 3.2. матове скло

Розрізняють 2 -а види матових стекол : сатиноване скло ( сатінат ) і піскоструминне .

Глава 4. Математична модель

4.1 Загальне уявлення

Останнім часом для калібрування прецизійних фотометричних приладів ( ФП) по яскравості найбільш часто використовуються стрічкових ламп з тілом напруження у вигляді витягнутої прямокутної площадки . Поряд з очевидними перевагами , такі випромінювачі мають серйозні недоліки - нерівномірність розподіллення яскравості по тілу напруження і зміна цього розподілу в процесі експлуатації . Це значно ускладнює використання стрічкових ламп для калібрування лінійок та матриць , т. е. ФП з багато - елементними приймачами випромінювання ( МПІ ) . Кро ме цього , стрічкові лампи не виробляються в Україні , а парк знаходяться в експлуатації еталонних випромінювачів на їх основі значно зменшився і застарів.

У зв'язку з цим все більш актуальною стає завдання заміни стрічкових ламп іншими випромінювачами з поліпшеними метрологічними характеристиками і доступними українським споживачам. Зокрема , як найбільш перспеетівние , розглядатися галогенні лампи . Серйозним недоліком таких випромінювачів є дискретна структура тіла напруження , утвореного окремими витками спіралі , що, природно , перешкоджає їх використанню для калібрування ФП і МПІ . Вихідом з цього положення може бути використання спільно з галогенними лампами розсіювачів з молочного скла , високі метрологічні є характеристики яких підтверджені численніми дослідженнями.

4.2 Формування яркісного нуля розсіювачем з молочного з скла

При роботі галогенною лампи спільно з розсіювачем з молочного скла первинним випромінювачем є тіло напруження лампи, а вторинним - зовнішня поверхня молочного скла. схемою на мал. 4.1.

Мал.4.1 Модель тіла накала випромінювачя

Розподіл яскравості по поверхні тіла напруження в системі координат ХУZ описується функцією

де Ls - Максимальна величина яскравості тіла напруження випромінювача;

х, у- координати в площині тіла накалу;

w s ,hs - Відповідно ширина і висота тіла накала;

x ,y -Розміри робочої зони випромінювача;

f s (x,y, w s ,hs , x ,y )- двомірна нормована функція, яка описує розподіл яскравості по площині тіла напруження.

Розподіл освітленості на внутрішній (зверненої до джерела випромінювання)поверхні розсіювача в системі координат) СУТ визначається виразом:

де Е2(х ', у') -розподіл освітленості по внутрішній площині розсіювача як функція координат точки (в поверхні розсіювача (х ', у'))

z s -відстань між площиною тіла напруження і розсіювачем;

s -коефіцієнт пропускання колби лампи

z -коефіцієнт пропускання середовища між тілом напруження і розсіювачем.

4.3 Математичний опис тіла напруження випромінювача

Для отримання однорідного яркостного поля , еквівалентного формованому стрічковим випромінювачем , необхідно використовувати галогенні лампи з щільною навивкою спіралі , що утворюють у плані прямокутник. Крім цього , з метою досягнення максимальної стабільності , необхідно вибирати випромінювачі з великою тривалістю горіння і апертурою , що забезпечує оптимальний температурний режим системи « тіло напруження - колба лампи» . З цих позицій для подальших досліджень був і отобра ни галогенні лампи типу КГМ і КГМН, а також поширені в Україні лампи фірми Philips, характеристики яких представлені в табл. 1. Розміри робочої зони вказані для зовнішньої поверхні розсіювача зі скла МС-23 товщиною 4 мм, який встановлений впритул до колби лампи. Нерівномірність яскравості в робочій зоні не перевищує 0,5%.

Тіло розжарення таких ламп може бути представлено параллелепипедом, утвореним ниткою напруження товщиною d s (рис. 2). Як правило, d s ~ 0.5 р s , де р s - крок навивки.

Далі приведенні дві таблиці:

Тип лампы	Мощность, Вт	Напряжение низания, В	Световой поток, лм	Срок службы, ч	Г абаритные размеры, мм	Размеры зела накала, мм	Размеры рабочей зоны, мм
КГМН12-20-2	20	12	315	2000	31x010	1,0x2,8	5,2x14,8
КГМН12-50-2	50	12	950	2000	40x012	1,2x3,2	6,0x16,8
КГМН15-150	150	15	4100	50	50x012	3,0x2,0	16x10,4
КГМ 12-40	40	12	720	130	45x010.5	1,5x3,0	8,0x16
КГМ 12-100-2	100	12	1800	350	47x011	2,3x4,0	12x20
КГМ30-300-2	300	30	9000	55	55x015	3,5x6	18,4x30
Philips Capsule PRO -50	50	12	950	100	44x012	2,0x3,8	10x20
Philips Capsule PRO-100	100	12	2200	100	44x012	2,0x3,8	10x20
Табл.4.1 Параметры галогенных ламп Толщина по оси, мм МС-12 МС-13 МС-19 МС-23 1 0.36 0.78 — 0.68 2 0.27 0.68 0.91 0.61 3 — — — 0.53 4 — — 0.86 0.46 5 — — 0.82 — б — — 0.82 — 7 — — — — 8 — — 0.79 — Табл.4.2 Коефіцієнти пропускання молочних стекол різних марок

Глава 5. Спектральні прилади

5.1 Спектральні прилади

Спектральними називаються оптичні прилади, в яких здійснюється розкладання електромагнітного випромінювання оптичного діапазону на монохроматичні складові.

Основними частинами спектрального приладу, що зображений на рис. 1.1, є вхідна щілина S, на яку спрямовується світло від джерела (дуги чи іскри); об'єктив коліматора О1, у фокальній площині якого розташована вхідна щілина S; диспергуючий пристрій D, що працює в паралельних пучках променів; фокусуючий об'єктив О2, що утворює у своїй фокальній площині Р монохроматичні зображення вхідної щілини, сукупність яких і утворює спектр. Диспергуючим елементом, як правило, є призми або дифракційні грати.

Рис. 5.1 - Принципова оптична схема спектрального приладу

Спектральні прилади дозволяють: а) розкласти досліджуване випромінювання в спектр і зафіксувати положення окремих його ділянок або окремих спектральних ліній; б) виміряти інтенсивність тієї чи іншої ділянки спектра, тієї чи іншої спектральної лінії.

Таким чином, спектральні прилади досліджують саме випромінювання як сигнал, що посилається нам матерією і дає інформацію про її будову, в той час як всі інші оптичні прилади призначені для дослідження властивостей, розмірів, форми або положення різних фізичних тіл у макросвіті. Спектральні прилади - інструменти для дослідження мікросвіту.

В залежності від способу реєстрації спектру прилади діляться на спектроскопи, спектрографи, спектрометри, монохроматори.

Спектроскоп - оптичний пристрій для візуального спостереження спектра випромінювання. Складається з вхідного коліматора, диспергуючого вузла і зорової труби (спектроскоп Кірхгофа). Коліматор - оптичний прилад, використовуваний для створення пучка паралельних променів при лабораторних дослідженнях зорових труб і кутомірних приладів. Спектроскоп служить для спостереження спектрів випромінювання і поглинання. Застосовується в основному для якісного та напівкількісного аналізу в металургії, біології та медицині.

Спектрограф - спектральний прилад, у якому приймач випромінювання одночасно реєструє весь можливий електромагнітний спектр. Складається з вхідного коліматора, диспергуючого вузла та фотокамери (вихідний об'єктив з касетною частиною). Служить як для якісного, так і для точного кількісного емісійного спектрального аналізу. Приймачами випромінювання можуть бути фотоматеріали, багатоелементні фотоприймачі (ПЗЗ-матриці або лінійки), електронно-оптичні перетворювачі. Спектрографи використовуються переважно в ультрафіолетовій (УФ), видимій та ближній інфрачервоній (ІЧ) області спектра, що зумовлено наявними в даний час багатоелементними приймачами випромінювання (190 - 2600 нм). Застосовується переважно в астрономії.

Спектрометр - спектральний прилад зі сканувальним пристроєм, який за допомогою фотоелектричних приймачів дає змогу кількісно оцінювати розподіл енергії у спектрі. Зазвичай вимірюваними величинами є інтенсивність і енергія (довжина хвилі, частота) випромінювання, але можуть реєструватися і інші характеристики, наприклад, поляризаційний стан. Термін «спектрометр» застосовується до приладів, що працюють в широкому діапазоні довжин хвиль: від гамма до інфрачервоного діапазону.

Монохроматор - спектральний оптико-механічний прилад, призначений для виділення монохроматичного випромінювання. Оптична система монохроматора включає в себе вхідну щілину, коліматорний об'єктив, диспергуючий елемент, фокусуючий об'єктив і вихідну щілину, яка виділяє випромінювання, що належить вузькому інтервалу довжин хвиль. Можливість сканування спектра (вибору потрібного спектрального діапазону) забезпечується шляхом повороту диспергуючого елемента. Для забезпечення точності поворот здійснюється за допомогою спеціального передатного механізму.

В залежності від елементів, які забезпечують спектральне розкладання, розрізняють призмові прилади, прилади з дифракційними гратками та інтерференційні прилади.

Спектри випромінювання атомів зазвичай виходять при високій температурі джерела світла (плазма, дуга або іскра), при якій відбувається випаровування речовини, розщеплення його молекул на окремі атоми і збудження атомів до світіння. Атомний аналіз може бути як емісійним - дослідження спектрів випромінювання, так і абсорбційним - дослідження спектрів поглинання.

Атоми кожного хімічного елемента мають певні резонансні частоти, внаслідок чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видимі лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини і її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають зміст досліджуваної речовини за відносною або абсолютною інтенсивністю ліній або смуг у спектрах.

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на бічну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюючись у склі, промені, з яких складається біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, що називається спектром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагнітних хвиль.

Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних променів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі лежать ультрафіолетові промені, які невидимі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хвилі мають рентгенівські промені. За червоними променями знаходиться область інфрачервоних променів. Вони невидимі, але сприймаються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотопластинками.

Широке застосування спектральні прилади мають в астрономії. Найважливішим джерелом інформації про більшість космічних об'єктів є їхнє випромінювання. Дістати найцінніші й найрізноманітніші відомості про тіла дає змогу спектральний аналіз їхнього випромінювання. За допомогою цього методу можна встановити якісний і кількісний хімічний склад світила, його температуру, наявність магнітного поля, швидкість руху та багато іншого.

Для одержання спектрів застосовують спектроскоп та спектрограф. Вивчення спектрів дає змогу аналізувати хімічний склад газів, що випромінюють або поглинають світло.

Кількість атомів або молекул, які випромінюють чи поглинають енергію, визначається інтенсивністю ліній. Чим помітніша лінія певного елемента у спектрі випромінювання або поглинання, тим більше таких атомів (молекул) на шляху променя світла.

Під час отримання спектрограми світила, над нею чи під нею вдруковують спектри порівняння від земного джерела випромінювання.

Спектр порівняння вважають нерухомим, і відносно нього можна визначати зміщення ліній спектра зірки.

Навіть швидкості небесних тіл (десятки й сотні кілометрів на секунду) зумовлюють настільки малі зміщення (соті або десяті частки мм), що їх можна виміряти на спектрограмі тільки під мікроскопом. Щоб з'ясувати, якій зміні довжини хвилі це відповідає, треба знати масштаб спектра, тобто на скільки змінюється довжина хвилі, якщо ми просуваємося вздовж спектра на 1 мм.

Спектральні прилади використовуються для якісного і кількісного дослідження спектрального складу світла, що випромінюється, поглинається, відбивається або розсіюється речовиною.

Ці дослідження дозволяють судити про властивості речовини, її хімічний склад і характер фізичних процесів, пов'язаних з випромінюванням або взаємодією світла з речовиною. Спектральні прилади застосовуються також для отримання випромінювання заданого спектрального складу.

Всі розглянуті групи методів спектрометрії знайшли практичне втілення у конструкціях С. п., але відносна поширеність їх різна. Наприклад, спектрометри сисам, що відносяться до групи 3, здійснені лише в декількох лабораторних експериментальних установках, а класичні прилади на основі монохроматоров набули повсюдного поширення як основний засіб аналізу структури і складу речовин. Розглянемо найбільш поширених типів С. п., слідуючи приведеній класифікації.

1. Одноканальні С. п. з просторовим розділенням довжин хвиль

Основою схеми приладів цієї групи є диспергуючий елемент ( дифракційні грати, ешелет, інтерферометр Фабрі — Перо, призма), що володіє кутовою дисперсією Dj/dl. Він дозволяє розвернути у фокальній плоскості Ф зображення вхідної щілини Щ у випромінюванні різних довжин хвиль. Об'єктивами O 1 і O 2 зазвичай служать сферичні або параболічні дзеркала, оскільки їх фокусні відстані не залежать від l (на відміну від лінзових систем). Одноканальні схеми мають у фокальній плоскості Ф одну вихідну щілину і називаються монохроматорамі. Сканування по l здійснюється, як правило, поворотом диспергуючого елементу або допоміжного дзеркала. У простих монохроматорах замість грат і призм застосовуються циркулярно-клинові світлофільтри з безперервною перебудовою вузької смуги пропускання або набори вузькосмугових світлофільтрів, що дають ряд дискретних відліків.

Спектрометри високого дозволу для досліджень структури атомних і молекулярних спектрів є стаціонарними лабораторними установками. Їх довгофокусні (до 6 м-код ) монохроматори поміщаються у вакуумні корпуси (для усунення атмосферного поглинання) і розташовуються у віброзахищених і термостабілізірованних приміщеннях. У цих приладах використовується 2- і 4-кратна дифракція на великих ешелетах, застосовуються високочутливі охолоджувані приймачі, що дозволяє досягати в спектрах поглинання значень R = 210 5 при l = 3 мкм. Для виявлення ще тоншої структури в схему вводять інтерферометри Фабрі — Перо, в яких сканування по l в межах вузького діапазону виробляється зміною тиску в зазорі або зміною величини зазору за допомогою пьезодвігателей, а щілинний монохроматор використовується лише для попереднього вибору спектрального діапазону і розділення порядків інтерференції, що накладаються. Такі прилади називаються спектрометрами Фабрі — Перо; вони дозволяють у видимої області отримувати R » 10 6 .

Двопроменеві спектрофотометри (сф) В двопроменевих оптичних схемах потік від джерела розділяється на два пучки — основний і пучок порівняння (референтний). Найчастіше застосовується двопроменева схема «оптичного нуля», що є системою автоматичного регулювання із зворотним зв'язком. При рівності потоків в двох пучках фотометра, що поперемінно посилаються модулятором М-коду на вхідну щілину монохроматора Ф, система знаходиться в рівновазі, клин До нерухомий. При зміні довжини хвилі пропускання зразка міняється і рівновага порушується — виникає сигнал розбалансу, який посилюється і подається на сервомотор, керівник рухом клину і пов'язаним з ним реєстратором Р (самописцем). Клин переміщається до тих пір, поки ослабіння референтного потоку, що вноситься ним не компенсує ослабіння, що вноситься зразком О. Діапазон переміщення клину від повного закриття до повного відкриття узгоджується з шкалою (від 0 до 100% ) реєстратора коефіцієнта пропускання зразка. Зазвичай СФ записує спектри на бланках з двовимірною шкалою, де абсцисою служать довжини хвиль l або хвилеві числа n (у cм -1 ) , ординатою — значення коефіцієнта пропускання Т (у % ) або оптичній щільності D = —lg T (тут 0 Т 1).

Швидкісні спектрометри (хроноспектрометри) на відміну від попередніх, їх забезпечують пристроями швидкого циклічного сканування і широкосмуговими (Df до 10 7 гц ) приймально-реєструючими системами. Для досліджень кінетики реакцій сканування ведеться з малою шпаруватістю, яка досягається, наприклад методом щілини, що «біжить»: замість вихідної щілини у фокальній плоскості встановлюється диск, що швидко обертається, з великим числом радіальних прорізів. Таким дорогою отримують до 10 4 спектрів в сек. Якщо час життя об'єкту дуже мало для кінетичних досліджень, застосовують швидше сканування дзеркалами, що обертаються, це приводить до великої шпаруватості і вимагає синхронізації початку процесу з моментом проходження спектру по щілині. До швидкісних спектрометрам відносяться спектровізор СП(Збори постанов) В-в (реєструючий до 500 спектрів в сік у видимої області) і швидкісний гик-спектрометр ІКСС-1 (ІКС-20) з регульованим спектральним діапазоном в межах інтервалу 1—6 мкм і швидкостями запису від 1 до 100 спектрів в сек.

Полум'яні (атомна абсорбція) спектрофотометри мають зазвичай один-два канали реєстрації. Вони вимірюють інтенсивності ліній абсорбції (емісії, флуоресценції) атомів елементів в полум'ї спеціальних пальників або інших «атомізаторов». У простих конструкціях аналітичні l виділяються вузькосмуговими фільтрами (полум'яні фотометри), в приладах вищого класу застосовуються поліхроматори або монохроматори, які можна перемикати на різні довжини хвиль. Прилади даного типа використовують в спектральному аналізі для визначення більшості елементів періодичної системи. Вони забезпечують високу вибірковість і чутливість до 10 -14 р.

Квантометри — фотоелектричні установки для промислового спектрального аналізу. Вони будуються на основі поліхроматорів; вихідні щілини поліхроматора виділяють із спектру випромінювання досліджуваної речовини аналітичні лінії і лінії порівняння, відповідні потоки посилаються на приймачі (фотопомножувачі), встановлені в кожної щілини. Фотоструми приймачів заряджають накопичувальні конденсатори; величини їх зарядів, накопичені за час експозиції, служать мірою інтенсивностей ліній, які пропорційні концентраціям елементів в пробі. Існуючі моделі квантометров розрізняються робочими діапазонами спектру (усередині області 0,17—1 мкм), числом тих, що одночасно працюють каналів (від 2 до 80), мірою автоматизації, способами збудження спектрів (дуга, іскра, лазер). Вони застосовуються для експресного аналізу хімічного складу сталей і сплавів в чорній і кольоровій металургії, металевих домішок у відпрацьованих змащувальних маслах машин і двигунів для визначення міри їх зносу і в ін. завданнях.

Спектрографи одночасно реєструють протяжні ділянки спектру, розгорнутого у фокальній плоскості Ф на фотопластинах або фотоплівках (фотографічні спектрографи), а також на екранах передавальних телевізійних трубок, електронно-оптичних перетворювачів з «запам'ятовуванням» зображень і тому подібне При хорошій оптиці число каналів обмежується лише роздільною здатністю (зернистістю) фотоматеріалів або числом рядків телевізійної розгортки. У видимої області спектру для візуальних методів спектрального аналізу широко використовуються прості спектроскопи і стілоськопи, в яких приймачем є око.

Растрові спектрометри створюються по загальній для одноканальних С. п. блок-схемі, але в скануючому монохроматоре щілини замінюються растрами спеціальної форми. При роботі вхідного растру поперемінно в проходящем і відбитому світлі виникає амплітудна модуляція випромінювання тієї l, для якої зображення вхідного растру збігається з вихідним растром. У випромінюванні інших l в результаті кутової дисперсії зображення зміщуються і амплітуда модуляції уменинаєтся. Т. о., ширина АФ dl відповідає напівперіоду растру. Растрові спектрометри дають в порівнянні з щілинними спектрометрами виграш в потоці (приблизно у 100 разів при R » 30000), проте їх вживання обмежене засвіченням приймача потоком немодульованого випромінювання, а також складністю виготовлення растрів і оптичної частини системи.

Сисам — спектрометр інтерференційний з селективною амплітудною модуляцією — будується на основі двопроменевого інтерферометра, в якому кінцеві дзеркала замінені дифракційними гратами, що синхронно повертаються, і введений модулятор по оптичній різниці ходу. В цьому випадку амплітудна модуляція накладається лише на інтервал dl діф , відповідний дифракційній межі в околиці l, яка задовольняє умові максимуму дифракції для обох грат. Сисам завжди працює на дифракційній межі: R = R діф = l / dl діф , при цьому за рахунок збільшення вхідного отвору потік в ~ 100 разів більше, ніж в класичних приладах 1 групи, але оптіко-механічна частина вельми складна у виготовленні і налаштуванні.

Мал. 5.1. Вакуумний 24-канальний квантометр (заводська назва — фотоелектрична установка) ДФС-41 для експресного і маркувального аналізу чавунів, простих і середньолегованих сталей на легуючі елементи, металоїди і шкідливі домішки, аналітичні лінії яких розташовані у вакуумної уф-області: 1 — вакуумний поліхроматор з увігнутою дифракційною гратами з фокусною відстанню, рівною 1 м-кодом , робочий діапазон 0,175—0,38 мкм ; 2 — генератор іскри ІВС-1 для збудження емісійних ліній атомів в пробі; 3 — електронно-реєструючий пристрій ЕРУ-1; 4 — блок цифрового відліку. Час аналізу 10 елементів близько 2 мін .

Мал. 5.2. Принципова оптична схема спектрального приладу з просторовим розділенням довжин хвиль за допомогою кутової дисперсії: 1 — коліматор з вхідною щілиною Щ і об'єктивом O 1 , фокусна відстань якого C 1 ; 2 — диспергуючий елемент, що володіє кутовою дисперсією Dj/dl; 3 — фокусуюча система (камера) з об'єктивом O 2 , що створює у фокальній плоскості Ф зображення вхідної щілини у випромінюванні різних довжин хвиль з лінійною дисперсією D x /dl. Якщо в плоскості Ф встановлена одна вихідна щілина, то прилад називається монохроматором, якщо декілька — поліхроматором, якщо фоточутливий шар (або око) — спектрографом (або спектроскопом).

Мал. 5.3. Блок-схема одинпроменевого одноканального спектрального приладу: І — джерело випромінювання; М-код — оптичний модулятор (обтюратор); Про — досліджуваний зразок; Ф — скануючий фільтр (монохроматор); П — фотоелектричний приймач випромінювання; В — підсилювач і перетворювач сигналів приймача; Р — аналоговий або цифровий реєстратор.

Мал. 5.4. Гіперболічний растр Жерара. Темні смуги — дзеркальні і растр поперемінно працює то в проходящем, то у відбитому світлі.

Мал. 5.5. Інфрачервоний двопроменевий спектрофотометр ІКС-29 середнього класу, автоматично реєструючий спектри пропускання T(n)(або віддзеркалення при введенні в прилад спеціальних приставок). Робочий діапазон 4000—400 см -1 (2,5 — 25 мкм ), погрішності вимірів DТ = ± 1%, Dn » ± 1 см -1 при R » 1000 (в середині робочого діапазону). Джерело випромінювання — силітовий стрижень (глобар), що нагрівається до 1400°С, розташовується у відсіку 1; 2 — кюветноє відділення двопроменевого фотометра з двома тримачами зразків; 3 — відсік монохроматора, що працює на двох змінних репліках, і приймача — болометра БМК-З. Зверху (4) розміщений самописець і система управління приладом.

Глава 6. Розрахункова частина

6.1 Розрахунок спектрального розподілу

Дані спектрального розподілу w() приведені у таблиці 1 додатку №1.

Розрахуємо відносну спектральну характеристику вольфрамової лампи :

(2.5)

Результати розрахунків приведені у таблиці 1 додатку 2.

Розрахуємо відносну спектральну характеристику вольфрамової лампи із врахуванням коефіцієнту видимості ока (див. табл. 2 додатку №2):

(2.6)

Розрахуємо максимальне значення спектральної характеристики вольфраму ФВЕ()МАХ:

, (2.7)

де ФBV – паспортне значення світлового потоку лампи при Т=3000 К, [лм]:

ФBV=310 лм, при Т=3000К.

Всі розрахунки проводилися з використанням програми “Mathcad14”.

Значить, при розрахунку отримали ФВЕ()МАХ=8.776 Вт/мкм.

Визначимо абсолютне значення потоку випромінювання:

, (2.8)

Результати розрахунків ФВЕ() внесені у табл. 1 додатку 2.

Визначимо повний інтегральний потік лампи ФВЕ за формулою:

, (2.9)

ФВЕ=9.061 Вт.

Аналогічно, перерахуємо повний інтегральний потік лампи ФВЕдля джерел випромінювання інших груп.

В результаті отримали:

Для лампи Philips Capsule Line Pro І групи:

ФВЕ= 64.302 Вт,

Для лампи Philips MASTER Caps ІІ групи:

ФВЕ = 49.688 Вт,

Для лампи Philips Halogen 12VCapsule 4yr ІІІ групи:

ФВЕ = 9.061 Вт.

Зі специфікацій на обрані лампи видно, що вони підтримують тип патрона GY 6.35. Його й використаємо при конструюванні приладу.

Структурна схема ДВЗЯ показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Структурна схема ДВЗЯ

Джерело випромінювання;
Первинна сфера;
Вторинна сфера;
Калібровочна діафрагма;
Вихідна апертура;
ЦВС;
Спектрокомпаратор.

Основу схеми складає оригінальний дифузний випромінювач змінної яскравості на базі оптично спряжених інтегруючих сфер.

Як видно з рис. 2.1., джерела випромінювання 1 розташовані в первинних інтегруючих сферах 2, а потік, поступаючий із них у вторинну інтегруючу сферу 3, та регулюється діафрагмою змінного перерізу. В вихідній апертурі 5 вторинної сфери формується однорідне змінне яскравісне поле з фотометричним тілом, що наближається до фотометричного тіла ламбертівського випромінювача. Це дозволяє розміщувати калібруєму ЦВС 6, безпосередньо в вихідній апертурі ДВЗЯ, без застосування додаткової з’єднуючої оптики.

Основні переваги запропонованої системи:

Одночасно освітлюються усі пікселі БПВ в усьому динамічному діапазоні вимірюваної яскравості. Іншими словами, вимір ФПС і 3Х верхніх значень яскравості робиться одночасно при незмінній конфігурації установки, що виключає екстраполяцію результатів і істотно підвищує точність вимірів. Одночасно значно збільшується ефективність електронної корекції чутливості пікселів БПВ.
За рахунок використання великого числа джерел випромінювання в первинних сферах і значного числа калібрувальних діафрагм, виконаних з високою точністю, істотно розширюється діапазон відтворених яскравостей (особливо у бік великих значень) і підвищується точність їх установки при незмінному спектральному складі випромінювання.
Винесенням джерел випромінювання з вторинної інтегруючої сфери, яка безпосередньо формує вихідне яскравісне поле, досягається сприятливіша інтегруюча і антивідблискова обстановка, що істотно покращує рівномірність розподілу яскравості в межах вихідної апертури.
Оскільки ЦВС, що калібруються, встановлюються безпосередньо у вихідній апертурі випромінювача, відпадає необхідність застосування погоджуючої і коллімуючої оптики, а вимоги до точного позиціонування ЦВС відносно установки практично відпадають.
Істотно спрощується процедура і підвищується точність абсолютизації вимірів, оскільки для калібрування випромінювача і перенесення одиниці яскравості можуть використовуватися яскравоміри, що встановлюються по аналогії з п.4 безпосередньо у вихідній апертурі без точного позиціонування і застосування погоджуючої оптики.
Поліпшення метрологічних характеристик вторинної інтегруючої сфери дозволяє, як буде показано пізніше, використати нові методи абсолютизації вимірів, це значно підвищить загальну точність калібрування ЦВС.

6.2. Габаритно-енергетичний розрахунок

Дослідження проводиться за спрощеними залежностями, вказаними в [6].

Кінцевим результатом кожного розрахунку проведеного в даному дослідженні буде – яскравість на виході ДВЗЯ, [], залежна від тих чи інших вихідних параметрів.

Було розраховано для наступних варіантів значень вихідних параметрів:

=0.1,=3,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=3,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=5,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.1,=7,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=3,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=5,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=0.5,=7,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=3,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=5,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=10, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=10, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=10, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=20, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=20, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=20, =0.3, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=30, =0.2, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=30, =0.25, інші значення – рекомендовані;
=1.0,=7,=30, =0.3, інші значення – рекомендовані;

В результаті, отримане було проаналізовано, та побудовано графіки таких впливових на результат залежностей:

Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносоного отвору первинної сфери G1=Dkmax/D1 (при Ki=0.5, D0/D2=1/4, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору ДВЗЯG=D0/D2 (при Ki=0.5, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність яскравості на виході ДВЗЯ (Lв) від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність діаметра вторинної сфери D2 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність діаметра первинної сфери D1 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність діаметра каліброваної діафрагми Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність кількості джерел випромінювання в первинній сфері Nii від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;
Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від коефіцієнта заповнення первинної сфери Kz (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Ki=0.5), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ;

Графіки отриманих залежностей приведено нижче, а вихідні дані, для їх побудови, та метод побудови наведено в додатку 4.

Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору первинної сфери G1=Dkmax/D1 (при Ki=0.5, D0/D2=1/4, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис.4.1.):

Рис. 4.1 Залежність яскравостіLввід відношенняDkmax/D1

Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від відносного отвору ДВЗЯG=D0/D2 (при Ki=0.5, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис 4.2):

Рис 4.2 Залежність яскравості Lв від відношення D0/D2

Залежність яскравості на виході ДВЗЯ (Lв) від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис 4.3.)

Рис. 4.3 Залежність яскравості Lв від коефіцієнта випромінювання Ki

Залежність діаметра вторинної сфери D2 від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.4):

Рис. 4.4. Залежність D2 від коефіцієнта випромінювання Ki

Залежність діаметра первинної сфери D1 від коефіцієнта випром. Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 перв. сфер ДВЗЯ (Рис. 4.5.):

Рис. 4.5 Залежність D1 від коефіцієнта випромінювання Ki

Залежність діаметракаліброваної діафрагми Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.6):

Рис. 4.6 Залежність Dkmax від коефіцієнта випромінювання Ki

Залежність кількості джерел випромінювання в первинній сфері Nii від коефіцієнта випромінювання Ki (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Kz=20), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.7):

Рис. 4.7 Залежність Nii від коефіцієнта випромінювання Ki

Залежність яскравості на виході ДВЗЯ Lв від коефіцієнта заповнення первинної сфери Kz (при D0/D2=1/4, Dkmax/D1=1/3, Ki=0.5), для 3, 5 та 7 первинних сфер ДВЗЯ (Рис. 4.8):

Рис. 4.8 Залежність яскравостіLв від коефіцієнта заповнення Kz

Розрахункове дослідження можна вважати успішним, так як отримані залежності показали наглядно переваги та недоліки зміни кожного з досліджуваних параметрів.

Проаналізувавши, наведені вище графіки залежностей, було обрано найдоцільніші вихідні параметри для розрахунку габаритних та енергетичних характеристик приладу:

мм – діаметр вихідного отвору;
–відносоний отвірДВЗЯ;
–коефіцієнт випромінювання;
– кількість первинних випромінювачів;
– відносоний отвір первинної сфери;
–коефіцієнтзаповнення;
– оптичний потік, створений джерелом випромінювання.

Також було зроблено наступні висновки:

Збільшення числа первинних випромінювачів(N1) ефективніше для підвищення вихідної яскравості ДВЗЯ, ніж збільшення кількості джерел випромінювання в них при малому значенні N1.
Існує оптимальне співвідношення розмірів калібрувальної діафрагми і вихідної апертури ДВЗЯ (енергетичний параметр Р), при якому яскравість ДВЗЯ максимальна. ЗначенняРскладає при цьому 0.55... 0.85.
Збільшення відносного отвору первинного випромінювача доцільне до значень … при великому значенні N1 (N1 3). Подальше збільшення веде до віньєтування калібрувальної діафрагми вхідним отвором вторинної сфери. При малому N1 (N1<3) цей ефект проявляється набагато раніше і із зростанням відбувається монотонна зміна яскравості ДВЗЯ.
Найбільш ефективною мірою підвищення яскравості ДВЗЯ є використання високо відбиваючих покриттів з .

Висновок

В результаті виконаної роботи можна зробити теоретичні та практичні висновки та пропозиції:

Основними напрямами розвитку еталонної бази в Україні в даний час є:

• оптимізації еталонної бази за складом і структурою ;

• створення системи взаємозв'язку еталонів , у тому числі "природних" , заснованих на фундаментальних фізичних константах та статистичних фізичних дослідженнях в області відтворення основних і найважливіших похідних одиниць ;

• створення систем еталонів , в якій розумно поєднується централізоване і децентралізоване відтворення одиниць ;

• пошукове дослідження та впровадження нових фізичних явищ і технологій , здатних забезпечити науковий прорив при створенні еталонів ;

• розробка граничних по точності методів і засобів вимірювань еталонного значення.

ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН