Способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр

Изобретение относится к сельскому хозяйству, экологии, энергетике, медицине и биосфере.

Известен способ оценки физиологического действия излучения на растения методом фотосинтетической активной радиации (ФАР) и фотосинтезного действия на растения (а.с. №124669, БИ №23, 1959). В известном способе выделяют суммарную энергию диапазона длин волн 380-720 нм и по ней судят о различных светофизиологических действиях излучения на растения.

Недостатком известного способа является то, что для его осуществления необходим сложный крупногабаритный прибор с высокой стоимостью для измерения только одной величины, учитывающей фотосинтезную эффективность действия излучения на растения.

Возобновляемые источники энергии, в частности солнечное излучения, не согласуются со вторым началом термодинамики и поэтому определить потенциальную превратимость энергии солнечного излучения в работу или электроэнергию, а также в энергию органического вещества посредством фотосинтеза невозможно на основе энтропийного анализа. В то же время, метрология оптического излучения детерминирована квантовой эквивалентностью фотоэффекта, который пропорционален не количеству поглощенной энергии излучения, а количеству эффективно поглощенных его фотонов. Однако, несмотря на более чем столетний поиск теоретического определения эффективно поглощенных фотонов, эта проблема не решена до настоящего времени и эту величину определяют экспериментально в виде спектральной эффективности соответствующего фотоэффекта (спектр действия).

Известны статистически усредненные спектры действия: фотосинтеза растений и фотоэлектрического эффекта для кремниевых кристаллических фотоэлементов. Спектральная эффективность светового действия принята по ГОСТ 8.014 - 72, эритемного действия и количества падающих фотонов - по М.В. Соколову (М.В. Соколов Прикладная биофотометрия. - М.: Наука, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство определения фотоэлектрической, тепловой и фотобиохимической-фотосинтезной эксергии для трех видов преобразования энергии солнечного излучения, включающий измерение поступающей на растения энергии излучения с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 300-3000 нм и определение суммарной эксергии, предложенные в патенте РФ (RU 2354104, БИ №13, 2009). В данном способе выделяют и измеряют ту часть энергии оптического излучения, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, тепловом и фотосинтезном преобразованиях. При этом оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона. Преобразуют в фототок и усиливают этот сигнал фототока предварительным усилителем, затем проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени и вычисляют фотоэлектрическую, тепловую и фотосинтезную эксергии.

Недостатками известных способа и устройства для его осуществления является то, что отсутствуют возможности измерения световой величины, имеющей важнейшее значение для всех сфер человеческой деятельности, а также исходной оптико-физической величины, энергетической облученности и количества падающих фотонов. Использование в нем в качестве первичного измерительного приемника - кремниевого фотоэлемента не оправдано, так как это принципиально снижает точность измерения по этому способу и усложняет градуировку и поверку прибора. Отсутствие в нем спектрометра позволяет определять измеряемые величины только для спектрального состава солнечного излучения и не позволяет их определять для спектрального состава электрических источников, а также из-за этого снижается точность определения величин и усложняет разработку первичной метрологии этого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства для определения фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, а также световых, оптико-физических, квантовых и эритемных величин для излучения любого спектрального состава, измерение поступающей на облучаемый объект энергии излучения с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 280-3000 нм и определение суммарной эксергии и фотоэффектов.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается оптимизация агротехнологий и снижение техногенной энергоемкости производства сельскохозяйственной продукции, а также определяется устойчивость функционирования естественных экосистем и биосферы в целом путем учета количества падающих фотонов, определения фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии за счет измерения одним прибором исходной оптико-физической величины - энергетической облученности - и мощности эксергии или эффективной облученности для всех фотоэффектов с приемником оптического излучения на основе термоэлемента с постоянной спектральной чувствительностью по падающей энергии. При этом исключается необходимость корригирования измерительного приемника и метрологического согласования его с абсолютно черным телом, из-за чего принципиально повышается точность измерения, упрощается градуировка и поверка прибора, снижается его стоимость и затраты на эксплуатационное обслуживание. Также в энергетике и сельскохозяйственном производстве появляется возможность контролировать условия освещения рабочих мест, а также вести учет количества падающих фотонов и благоприятных доз естественного ультрафиолетового эритемного облучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе оптимизации метрологии оптического излучения, включающем оптимальное определение фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, а также световых, оптико-физических, квантовых и эритемных величин для излучения любого спектрального состава, измерение поступающей на облучаемый объект энергии излучения с учетом длины волны по названным фотоэффектам в диапазоне 280-3000 нм и определение суммарной эксергии и фотоэффектов, выделяют ту часть энергии оптического излучения как для солнечного спектра, так и иных спектральных составов, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, фотосинтезом, световом, эритемном и квантовом преобразованиях, и измеряют фотоэлектрическую, фотосинтезную эксергии, световой, эритемный и квантовый фотоэффекты применительно к этим видам преобразования энергии как солнечного спектра излучения, так и иных спекральных составов, при этом с помощью вычислителя оценивают эффективность излучений каждой длины волны в отношении каждого вида преобразованной энергии, суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, проводят индикацию полученных сигналов, которые снимают интегратором с заданным интервалом времени, и вычисляют фотоэлектрическую и фотосинтезную эксергии, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения этих двух видов, которые индицируют на дисплее устройства, и используют в процессе последовательного определения названных двух видов эксергии.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве - универсальном фотометре-эксергометре, содержащем блок приемника оптического излучения с термоэлементом и спектрометром, вычислитель, суммирующий поступление на поверхность земли двух видов эксергии оптического излучения в течение заданного периода времени, вычислитель содержит блок вычислений, последовательно переключаемый на измерение каждого вида фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии, светового, эритемного и квантового фотоэффекта, соединенный с блоком функций и дисплеем, при этом блок функций содержит блоки распределения энергии солнечного излучения, спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий, а выходы этих блоков соединены с блоком вычисления фотоэлектрической эксергии, фотосинтезной эксергии, а также светового, эритемного и квантового фотоэффектов, которые своими выходами соединены с дисплеем, а выход блока приемника оптического излучения соединен с входом вычислителя, при этом приемник оптического излучения содержит компенсированной термоэлемент, имеющий спектральную чувствительность, подобную спектральной чувствительности абсолютно черного тела.

Причиной необходимости изобретения предлагаемого способа является переход от энтропийного анализа с 80-х г.г. XX столетия большинства энергетиков мира к эксергетическому методу, как более надежному и менее сложному.

Предлагаемый способ включает измерение оптико-физической величины - энергии излучения в области длин волн 280 - 3000 нм - посредством термоэлемента с постоянной спектральной чувствительностью по падающей энергии; измерение распределения энергии излучении по спектру на основе дифракционной решетки; электронного устройства, содержащего спектральную эффективность действия излучения: светового на глаз человека, фотосинтезного на растения, фотоэлектрического на кристаллический кремниевый фотоэлемент, эритемного и показатель определения количества падающих фотонов. Электронное устройство осуществляет расчет значений эффективных величин по названным спектрам действия и распределению энергии излучения по спектру, а также индикаторное устройство. Выделяют и измеряют ту часть энергии любого спектрального состава, которая потенциально пригодна для осуществления соответствующего фотоэффекта и количества падающих фотонов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства универсального фотометра-эксергометра.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства - универсального фотометра-эксергометра.

Устройство - универсальный фотометр-эксергометр содержит блок приемника оптического излучения 1, состоящий из компенсированного вакуумного термоэлемента 2 с термопарами 3 и корпусом 4, спектрометра 5 с косинусной насадкой 6, линзой 7, дифракционной решеткой 8, фотодиодной линейкой 9, корпусом 10, блока обработки сигнала 11, вычислителя 12, состоящего из входного компенсационного канала 13, входного измерительного канала 14, усилителя 15, блока функций 16, содержащего блоки распределения энергии солнечного излучения, спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий, блока вычислений 17, содержащего блоки вычисления фотоэлектрической эксергии, фотосинтезной эксергии, а также светового, эритемного и квантового фотоэффектов, интегратора фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии 18, дисплея 19, выхода на ПК 20, причем выход блока приемника оптического излучения 1 и блок функций 16 соединены с блоком вычислений 17, а блок вычислений соединен с дисплеем 19.

Блок приемника оптического излучения 1 содержит компенсированный термоэлемент, имеющий спектральную чувствительность, подобную спектральной чувствительности абсолютно черного тела, который исключает необходимость при градуировке прибора согласовывать его с исходной величиной всей фото-оптометрии - свечой.

Работает устройство - универсальный фотометр-эксергометр следующим образом.

Блок приемника 1 располагают в месте измерения оптического излучения. Поступившее излучение через косинусную насадку 6, коррелирующую падающее излучение под косинусную зависимость, падает на измерительную термопару термоэлемента 3, а также измерительную часть спектрометра 5. Напряжение на термоэлементе создает термо-ЭДС, которая подается на вход измерительного канала 14. Для компенсации температуры в корпусе термоэлемента находится вторая термопара 3, изолированная от попадания оптического излучения, напряжение с нее подается на вход компенсационного канала 13. Далее сигналы с измерительного 14 и компенсационного канала 13 попадают на вход усилителя сигнала 15, затем сигнал поступает в блок вычислений 17 и блок измерения оптико-физических величин. Сигнал с измерительной части спектрометра поступает в блок обработки сигнала 11, откуда выходной сигнал поступает на вход блока вычислений 17. В свою очередь сигналы с блоков вычислений фотоэлектрической и фотосинтезной эксергии снимают интегратором 18 с заданным интервалом времени и записывают полученные значения в памяти интегратора. Результаты вычислений выводятся на дисплей 19 и также поступают на выход 20 для подключения ПК.

Для определения фотоэлектрической, химической фотосинтезной эксергии, светового, эритемного и квантового фотоэффектов для преобразования энергии как солнечного спектрального состава излучения, так и иных спектральных составов в устройство введены функции: распределение энергии солнечного излучения и спектральной чувствительности кремниевого фотоэлемента, спектральной эффективности фотосинтеза растений, светового действия на глаз человека, эритемного и квантовых действий. Значение каждого вида эксергии в общем случае определяется по выражению

где P(λ)_max - значение падающего монохроматического потока для длины волны, соответствующей максимальной спектральной эффективности оптического излучения, ϕ(λ) - спектральная интенсивность источника оптического излучения, K(λ) - относительная спектральная эффективность, λ₁, λ₂ - граничные значения длин волн измеряемого участка, t₁, t₂ - время начала и конца поступления оптического излучения, dλ - дифференциал по длине волны, dt - дифференциал по времени.