Исследование метрологических характеристик

Исследование метрологических характеристик

Введение

Трудно найти область деятельности человека, где определение оптических свойств материалов и поверхностей не представляет интерес. Спектрофотометрические измерения необходимы во всех отраслях промышленности, науки, техники, сельском хозяйстве, экологии и медицине. Потребность в создании и усовершенствовании системы метрологического обеспечения спектрофотометрии всегда актуальна. Особенностью спектрофотометрии является то, что единицы спектральных коэффициентов пропускания материалов и отражения поверхностей, определяемые отношением двух потоков излучения, один из которых является нормирующим, характеризуют фундаментальные свойства веществ и поверхностей. Причем нормировочный характер одного из потоков при измерении коэффициентов направленного пропускания и отражения несложно установить, а в случае измерений с диффузными составляющими вопрос нормировки становится трудноразрешимым. Поэтому необходимо выделить определенную группу веществ или поверхностей, чьи свойства обладали бы стабильностью и явились бы реперными значениями фотометрической шкалы. Для воспроизведения этих значений необходима спектрофотометрическая установка с предельно малыми погрешностями. Совокупность высокоточной спектрофотометрической установки и стабильной меры образует эталон, с помощью которого воспроизводится фотометрическая шкала, характеризующая оптическая свойства материалов и поверхностей.

Мировая практика уже более полувека рассматривает проблему создания таких эталонов. В настоящее время они имеются во многих развитых странах, в том числе и России. Наиболее успешные работы выполнены в США (NIST), Великобритания (NPL) и Германия (PTB). Диапазон этих установок охватывает ультрафиолетовую и видимую область спектра. Лишь в последние годы сделаны попытки расширить спектральный диапазон в инфракрасную область. Метрологическое обеспечение спектрофотометрии интенсивно развивалось в ГОИ, ВНИИМ (до 1986) и ВНИИФТРИ. Работы, выполненные в ГОИ имени С.И. Вавилова, являются основополагающими в области метрологии ИК-спектрофотометрии и используются для метрологического обеспечения ведомства. В видимом диапазоне метрологическое обеспечение спектрофотометрии базировалось на разработанной во ВНИИМ Государственной поверочной схеме, которая к настоящему моменту, благодаря значительному развитию уровня спектрофотометрических приборов, устарела.

Создание Государственного первичного эталона единиц спектральных коэффициентов направленного пропускания и зеркального отражения должно было развить метрологическое обеспечение страны в более широком диапазоне спектральных измерений с учетом возросшего технического уровня приборов.

Метрологическая база спектрофотометрии, созданная во ВНИИОФИ, опирается на государственные первичные эталоны единиц спектральной плотности потока излучения и ГПЭ единиц спектральных, интегральных и редуцированных коэффициентов пропускания и отражения. ВНИИОФИ обеспечивает периодическую калибровку рабочих эталонов и рабочих средств измерений метрологических центров, институтов и предприятий России. Неоднократно проводились сличения отечественных эталонов с установками США, Германии, Франции, Великобритании, Австралии, Индии, Китая, Венгрии, Польши, Болгарии. ВНИИОФИ участвует в ряде международных проектов в области метрологии и имеет техническую возможность проводить испытания светотехнического оборудования автомобилей по правилам ЕЭК ООН, самолетов FAR/JAR, аэродромов - ИКАО.

Работы последнего периода связаны, в первую очередь, с обеспечением единства измерений в России для существующей метрологической базы. Во-вторых, обеспечением средствами измерений новых приборов, созданных как в нашей стране, так и за рубежом. В-третьих, создание эталонной базы для метрологического обеспечения экологии, медицины и контроля качества продукции и товаров.

Использование нового поколения спектрофотометрической  аппаратуры откроет новые возможности в метрологическом обеспечении при разработке новой высокоточной техники, включая системы высокоточного оружия с лазерным наведением, а также развитии новых наукоемких технологий в области космической техники, радиоэлектроники, обороны, светотехники, медицины, экологии, охраны окружающей среды и т.д. А это, в свою очередь, создаст предпосылки для повышения качества и конкурентоспособности продукции отечественных производителей.

1. Постановка Задачи. Актуальность Вида Измерений. Класс Потребителей.

Оптическое излучение в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах во второй половине ХХ века заняло лидирующие позиции в качестве источника количественной информации в многочисленных и разнообразных средствах информационно-измерительной техники. Появление лазеров, светоизлучающих диодов и других элементов фотоники стимулировало становление и развитие практически новой области измерений - оптико-электронных измерений в фотонике, основу которой первоначально составляли методы и средства классической фотометрии, а затем - оптической радиометрии. Это одна из областей измерений, получившая широкое распространение в технических средствах и системах измерений, оптического неразрушающего контроля, диагностирования, распознавания образов. Она играет решающую роль в таких критических технологиях, как информационные технологии и электроника, производственные технологии, новые материалы и химические продукты, технологии живых систем, транспорт, топливо и энергетика (особенно атомная), экология и рациональное природопользование (в том числе аэрокосмическое дистанционное зондирование земной поверхности). Сказанное объясняется тем, что электронные устройства восприятия, передачи и преобразования оптических величин и сигналов в электрические измерительные сигналы обладают рядом достоинств, выгодно отличающих их от аналогичных систем, в которых носителями информации служат величины и сигналы другой физической природы.

К числу упомянутых достоинств, в первую очередь, относятся: отсутствие контакта с изучаемым объектом; высокий уровень защищенности устройств и их элементов от воздействия электромагнитных полей и помех, интенсивность которых значительно возросла; высокая разрешающая способность, позволяющая изучать объекты с  размерами порядка нанометров и менее; рекордное быстродействие при исследовании быстропротекающих процессов с длительностями  до единиц фемтосекунд (10^-15 с); безопасность работы для обслуживающего персонала, в отличие от устройств, в которых носителями информации служат жесткое ультрафиолетовое и более коротковолновое излучение.

В связи с этим сегодня трудно представить сферу человеческой деятельности, в которой не нашли бы применения процессы восприятия, преобразования, обработки, регистрации и отображения оптической информации, характеризующей интересующие пользователя свойства исследуемого или наблюдаемого объекта. [3]

Спектрофотометрические измерения затрагивают практически все отрасли промышленности и сельского хозяйства, актуальны они так же и для химического производства, медицины. С их помощью можно производить количественный или качественный состав проб вещества, анализировать кинетику химических реакций, исследовать процессы при различных заданных температурах, вплоть до температуры жидкого гелия. В фармацевтике данный вид измерений необходим для входного и выходного контроля качества сырья и готовых фармацевтических препаратов, для количественного и качественного анализа на подлинность и определения фальсификаций лекарственных средств. При мониторинге окружающей среды спектрофотометрические измерения незаменимы при выявлении наличия даже минимальных примесей, а в пищевой промышленности они используются для определения крепости спиртных напитков и спиртового сырья, цветности и цвета вин и пива, раскрытия фальсифицированной водки, вина и табака.

Спектрофотометрические измерения используются в полиграфии и лакокрасочной промышленности. Военные, например, используют эти виды измерений для определения заметности военной формы в темное время суток, а производители солнцезащитных очков - для измерения ультрафиолета, проходящего через очки.

В последние годы в связи с созданием записывающих приборов особенно расширилось применение спектрофотометрии для количественного и качественного анализа и в химической кинетике. При исследовании кинетики химических реакций обычно используется тот факт, что исходные вещества и продукты реакции имеют разное поглощение. Это позволяет следить за изменением их концентраций во времени. В настоящее время развит ряд специальных приемов для изучения кинетики быстрых реакций. УФ-спектрофотометрия нашла широкое применение в фармацевтике, т.к. это наиболее простой и эффективный метод анализа лекарственных средств. Его используют на всех этапах фармацевтического анализа лекарственных препаратов (испытание подлинности, доброкачественности, количественное определение).

2. Передача размера единиц. Обеспечение единства измерений

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных физических единиц величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц величин осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Эталоны являются высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц.

2.1 Общие понятия об эталонах. Классификация

В состав эталонов единиц величин могут входить основные технические средства, в том числе средства измерений, которые применяются при воспроизведении, хранении и передачи единиц величин, контроле за соблюдением требований к условиям их содержания и применения, а также вспомогательные технические средства, в том числе информационно-вычислительные комплексы, сооружения, специальные платформы и фундаменты, специальные здания и помещения, обеспечивающие выполнение установленных требований к эталонам единиц величин, условиям их содержания и применения.

Государственные первичные эталоны (ГПЭ) единиц величин воспроизводят, хранят и передают единицы величин (шкалы величин) с наивысшей в Российской федерации точностью. ГПЭ единиц величин могут воспроизводить, хранить и передавать как единицы величин (шкалы величин), так и дольные или кратные значения единиц величин.

Для воспроизведения единиц в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы величины от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые состояния вещества, крайние участки диапазона измерений и т.п.), создаются и утверждаются специальные эталоны.

Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет в этих условиях первичный эталон.

Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Основное назначение эталонов - служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин. Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводимым единицам.

В метрологической практике широко распространены вторичные эталоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-копии, эталон сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть физической копией государственного эталона. Эталон-копия предназначен для предохранения первичного эталона единицы величины от преждевременного износа при большом объеме работ по передаче единицы величины вторичным и рабочим эталонам.

Эталон сравнения создается при необходимости проведения сличений с международными и национальными эталонами единиц величин иностранных государств и для сличения иных эталонов единиц величин друг с другом.

Эталон-свидетель - вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда государственный эталон является невоспроизводимым.

Рабочий эталон - эталон, применяемый для хранения единицы величины и передачи ее размера образцовым средствам измерений высшей точности и при необходимости - наиболее точным рабочим мерам и измерительным приборам.

Государственные эталоны всегда осуществляются в виде комплекса средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение единицы и в необходимых случаях ее хранение, а также передачу размера единицы вторичным эталонам.

2.2 Общие сведения о поверочных схемах

Для обеспечения правильной передачи размера единиц величин во всех звеньях метрологической цепи (от эталонов образцовым мерам, а от них - рабочим мерам и измерительным приборам) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок и приводится в государственных поверочных схемах.

Государственная поверочная схема представляет собой исходный документ, определяющий порядок передачи единиц величин эталонам единиц величин и (или) средствам измерений от эталонов единиц величин, имеющих более высокие показатели точности. Исходные положения о поверочных схемах приводятся в проекте государственного стандарта "Государственная система обеспечения единства измерений. Поверочные схемы", в котором содержатся следующие сведения.

В поверочной схеме указываются наименования утвержденного государственного эталона, вторичных эталонов, образцовых и рабочих средств измерений и методов поверки, являющихся структурными элементами поверочной схемы. Наряду с наименованием средств измерений приводятся неопределенности воспроизведения и передачи размера единицы величины каждому средству измерений, указанному в схеме. В поверочной схеме приводятся меры, измерительные приборы и измерительные преобразователи, применяемые в данной отрасли измерительной техники.

На поверочных схемах указываются и методы поверки, которые подразделяются на следующие виды:

) непосредственное сличение средств измерений с образцовым средством измерений аналогичного вида;

) сличение средств измерений с использованием прибора сравнения;

) поверка измерительного прибора по образцовой мере путем измерения им величины, воспроизводимой мерой;

) прямое измерение образцовым измерительным прибором величины, которая воспроизводится мерой, подвергаемой поверке;

) косвенные измерения величины, которая воспроизводится мерой или измеряется прибором, подвергаемым поверке.

Структура поверочной схемы состоит из нескольких полей, соответствующих ступеням передачи размеров единицы от первичного эталона рабочим средствам измерений. Поля отделены друг от друга горизонтальными пунктирными линиями. В левой части поверочной схемы по вертикали указывают наименования элементов поверочной схемы. В самих полях располагают структурные элементы поверочной схемы, заключаемые в прямоугольники и круги (прямоугольники для эталонов, образцовых и рабочих средств измерений, круги для методов поверки). Соподчиненность структурных элементов указывают соединительными линиями.

В верхнем поле поверочной схемы указывают наименования эталонов. Ниже первичного эталона в том же поле помещают наименования вторичных эталонов и диапазон, в котором они хранят единицу измерений.

Если для данного вида измерений отсутствуют эталоны, и их единицы величины воспроизводят косвенным путем, то в верхнем поле поверочной схемы помещают наименование образцовых средств измерений, применяемых для воспроизведения данной единицы величины, заимствованные из поверочных схем для соответствующих средств измерений; при этом на поверочной схеме должна быть сделана ссылка на другие поверочные схемы, из которых заимствованы наименования образцовых средств измерений.

Под полем эталонов располагают поля образцовых средств измерений 1-го и других разрядов, помещая в каждое из них наименование образцовых средств измерений соответствующего разряда. Погрешность поверки указывают в виде погрешности передачи размера единицы от предыдущего высшего звена поверочной схемы данному образцовому средству измерений. При наличии общепринятых классов точности вместо погрешности указывают класс точности.

Под полем образцовых средств измерений низшего разряда помещают поле рабочих средств измерений. Рабочие средства измерений подразделяют по точности и диапазонам измерений на группы, располагая группы в порядке убывающей точности так, чтобы наименования наиболее точных средств измерений находились в левой части поля.

2.3 Государственный стандарт ГОСТ 8.557-2007

Основным документом, используемым в настоящем дипломном проекте, является ГОСТ 8.557-2007. Настоящий стандарт распространяется на государственную поверочную схему для средств измерений спектральных, интегральных и редуцированных коэффициентов направленного пропускания и оптической плотности в диапазоне длин волн от 0,2 до 50,0 мкм, диффузного и зеркального отражений в диапазоне длин волн от 0,2 до 20,0 мкм и устанавливает порядок передачи размера единиц спектральных коэффициентов направленного пропускания, диффузного и зеркального отражений - являющихся безразмерными величинами и оптической плотности - бела (Б) от государственного первичного эталона с помощью вторичных и рабочих эталонов рабочим средствам измерений с указанием погрешностей и основных методов поверки.

Государственная поверочная схема для средств измерений спектральных, интегральных и редуцированных коэффициентов направленного пропускания, диффузного и зеркального отражений позволяют воспроизводить, хранить и передавать размеры указанных единиц с нормированной погрешностью по всем разрядам поверочной схемы от созданного во ВНИИОФИ государственного первичного эталона единиц спектральных коэффициентов направленного пропускания в диапазоне длин волн (0,2¸50,0) мкм, диффузного и зеркального отражений в диапазоне длин волн (0,2¸2,5) мкм. Государственный первичный эталон единиц спектральных коэффициентов направленного пропускания в диапазоне длин волн (0,2¸50,0) мкм, зеркального отражения в диапазоне длин волн (0,2¸2,5) мкм состоит из комплекса следующих средств измерений:

- спектрофотометрического эталонного комплекса для воспроизведения единицы спектрального коэффициента направленного пропускания (СКНП) в диапазоне длин волн 0,2-2,5 мкм, для воспроизведения единиц спектральных коэффициентов зеркального отражений (СКЗО) в диапазоне длин волн 0,2-0,9 мкм;

спектрофотометрической установки для воспроизведения единицы СКНП в диапазоне длин волн (2,5¸50,0) мкм;

- наборов эталонных мер;

- системы регистрации и обработки информации.

Спектрофотометрический эталонный комплекс представляет собой систему установок, на которых можно производить измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания и зеркального и отражения. Центральной установкой эталона является установка для измерения спектрального коэффициента направленного пропускания в спектральном диапазоне 0,2-2,5 мкм.

Кроме этого, данная установка реализована с использованием совместного монохроматического источника установки для измерения спектрального коэффициента зеркального отражения.

Измерения спектрального коэффициента направленного пропускания в диапазоне 2,5-20 мкм осуществлялись на отдельной спектрофотометрической установке инфракрасного диапазона.

Кроме того, на каждый вид измерений имеется набор стандартных образцов:

комплект нейтральных светофильтров КНФ-1 для видимого диапазона излучения;

комплект нейтральных светофильтров КС-100 для УФ и ИК области спектра излучения;

комплект зеркал.

3. Состав и описание первичного эталона. Результаты исследований первичного эталона

В состав Государственного первичного эталона единиц спектральных коэффициентов направленного пропускания, диффузного и зеркального отражений в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн (далее - первичный эталон) входят следующие средства измерения и специальное оборудование:

         установка для воспроизведения и передачи единиц величин спектрального коэффициента направленного пропускания (СКНП), оптической плотности и спектрального коэффициента зеркального отражения (СКЗО):

         канал для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП и оптической плотности в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн;

         канал для воспроизведения и передачи единицы величины СКЗО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн;

         установка для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП и оптической плотности в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA», зав. № 77073;

         установка для воспроизведения и передачи единицы величины спектрального коэффициента диффузного отражения (СКДО) в УФ и видимом диапазоне длин волн;

         установка для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» с приставкой «Mid-IR IntegratIR», б/н;

         установка для передачи единицы величины СКДО в УФ и видимом диапазоне длин волн на основе спектрофотометра «LAMBDA 900» и приставки «PELA-1000», б/н;

         установка для передачи единицы величины СКЗО в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» с приставкой «1700 FT-IR», б/н;

         наборы мер, зав. № 900007, 8500011, 840313, 7, В0507805, 34718-1-1, 49403-1-1, 52263-1-1, 8704, 001, 002, 0142, 2000113, 2000263, 0105, 1.

Установка для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП, оптической плотности и СКЗО

Установка для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП, оптической плотности и СКЗО состоит из двух каналов: канала для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП и оптической плотности в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (рис. 1) и канала для воспроизведения и передачи единицы величины СКЗО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (рис. 2).

Рис. 1. Схема канала для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП и оптической плотности

Рис. 2. Схема канала для воспроизведения и передачи единицы величины СКЗО

Каналы измерения СКНП и СКЗО имеют общую осветительную систему и монохроматор. В качестве источника излучения в установке используется галогенная лампа, питание которой осуществляется от стабилизированного по току высокостабильного блока питания и модель черного тела для работы в ИК области спектра. Кроме того, в осветительную систему входят ртутная лампа, применяемая для коррекции установки длины волны монохроматора, и He-Ne-лазер, используемый для юстировки установки. Излучение ленточной лампы с помощью фокусирующей системы проецируется на входную щель автоматизированного двойного монохроматора. В зависимости от используемого канала излучение выводится через различные выходные щели монохроматора.

В канале измерения СКНП выходящее из выходной щели монохроматора излучение преобразуется в параллельный пучок с помощью внеосевого параболического зеркала и направляется на устройство ввода-вывода исследуемого образца, которое разработано на основе автоматизированного прецизионного линейного позиционера и управляется с помощью встроенного в компьютер контроллера. Прошедший через устройство ввода-вывода образца пучок монохроматического излучения попадает на второе внеосевое параболическое зеркало, которое фокусирует излучение на чувствительной площадке приемника. В эталоне используются сменные приемники излучения, которые вставляются в термостатированный корпус, стабилизация температуры которого осуществляется с помощью внешнего жидкостного термостата. Выходной сигнал приемника излучения усиливается с помощью высокоточного усилителя-преобразователя и измеряется с помощью цифрового мультиметра и синхронного детектора при работе в ИК области спектра. Для измерения уровня фоновой засветки и уровня темнового сигнала в установке используются две заслонки, расположенные на выходе осветительной системы и перед приемником излучения, управление которыми осуществляется автоматически с помощью специального контроллера.

Принцип работы канала измерения СКНП заключается в последовательном измерении сигнала от источника излучения с и без исследуемого образца с учетом влияния фонового излучения. Расчет СКНП проводится по формуле 1:

где  - сигнал приемника излучения, когда излучение проходит через образец, В;

- сигнал приемника излучения, когда излучение проходит через образец, с исключенной фоновой составляющей и темновым током;

- сигнал приемника излучения, когда образец выведен из излучения, В;

- сигнал приемника излучения, когда образец выведен из излучения, с исключенной фоновой составляющей и темновым током;

- сигнал излучения, снятый при закрытой заслонке на приемнике излучения, В.

В канале измерения СКЗО излучение, выходящее из монохроматора, попадает на параболическое зеркало и преобразуется в параллельный пучок. Далее излучение направляется на исследуемый образец, который может быть установлен под необходимым углом φ к падающему на него пучку излучения. Диапазон возможных углов составляет от 8 до 75°. После отражения от образца излучение с помощью параболического и плоского зеркал направляется на приемник излучения. В данном канале, как и в канале измерения СКНП, используются сменные приемники излучения. Исследуемый образец устанавливается на устройство ввода-вывода, которое представляет собой линейный подвижный столик. В свою очередь устройство ввода-вывода образца располагается на поворотном столике, за счет поворота которого устанавливается угол падения излучения на образец. Вокруг образца на специальной платформе поворачивается приемник излучения, который автоматически устанавливается в необходимое положение по программе в зависимости от заданного угла падения φ. При работе в ИК области спектра с ИК-приемником излучения в канал для воспроизведения СКЗО вводится модулятор.

Принцип работы канала измерения СКЗО аналогичен принципу работы канала измерения СКНП и также основан на последовательном измерении сигнала от источника излучения при наличии и без исследуемого образца с учетом влияния фонового излучения.

Установка для воспроизведения и передачи единиц величин СКНП и оптической плотности в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA»

Рис. 3. Внешний вид инфракрасного Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» фирмы «PerkinElmer»

Принцип действия Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» (рис. 3) основан на том, что при подвижке одного из зеркал интерферометра происходит изменение разности хода между интерферирующими лучами. Регистрируемый световой поток на выходе интерферометра (интерферограмма) представляет собой Фурье-образ регистрируемого оптического спектра. Сам спектр (в шкале волновых чисел) получается после выполнения специальных математических расчетов над интерферограммой (обратное преобразование Фурье).

Фурье-спектрометр состоит из:

- двулучевого интерферометра;

источника излучения;

приемника излучения;

оптической системы;

блока электроники.

Модификация «SPECTRUM GX OPTICA» предназначена для проведения исследовательских работ и обладает наибольшими возможностями по созданию различных схем. Программным образом осуществляется настройка прибора, оптимизация его параметров, управление их работой, осуществление Фурье-преобразования интерферограммы, обработка выходной информации, печать результатов.

Основные технические характеристики Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1. Основные технические характеристики Фурье-спектрометр «SPECTRUM GX OPTICA»

Характеристика	Значение
Спектральный диапазон, см-1	от 15000 до 420
Спектральное разрешение, см-1	0,15
Погрешность градуировки шкалы волновых чисел, см-1	0,1
Уровень псевдорассеянного света, %	0,1
Отношение сигнал/шум, (пик к пику, 1мин сканирования, разрешение 4 см-1)	36000:1
Фотометрическая точность, % Т	0,25
Время подготовки к работе, мин	30
Электропитание, В	от 220 до 240
При частоте, Гц	50
Габаритные размеры, мм	750 x 800 x 600
Масса, кг	75
Условия эксплуатации: Температура, °С Относительная влажность, % Атмосферное давление, кПа	от +15 до +35 от 20 до 75 от 96 до 104

Установка для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО в УФ, видимом диапазоне длин волн

В диапазоне длин волн от 0,2 до 2,0 мкм воспроизведение и передача единицы величины СКДО осуществляется методом Эрба на соответствующей установке.

Схема и внешний вид Установки для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,0 мкм приведены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Внешний вид Установки для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО

Рис. 5. Схема Установки для воспроизведения и передачи единицы величины в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,0 мкм. 1 - лампа; 2, 3 - экран; 4-образец; 5 - фильтр; 6 - бленда; 7 - сфера; 8 - монохроматор

Установка для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО включает в себя источник излучения виде галогенной лампы 1, который расположен внутри интегрирующей сферы 7. Излучение от галогенной лампы освещает полусферу I, которая в свою очередь освещает полусферу II. Диффузно отраженное от полусферы II излучение попадает на исследуемый образец 4. Между лампой и образцом установлен защитный экран 3, предназначенный для того, чтобы защитить образец от нагревания в процессе измерений. Так же предусмотрен экран 2, предназначенный для уменьшения потерь излучения. На лампу 1 подается стабилизированный ток.

Сигнал от образца 4 и поверхности интегрирующей сферы 7 направляется на входную щель монохроматора 8, который выделяет необходимый участок спектра. Перед монохроматором установлено фильтровое колесо 5. Далее излучение попадает на приемник излучения, сигнал которого через преобразователь направляется на мультиметр и далее на компьютер.

Между выходным окном интегрирующей сферы 7 и монохроматором закреплена бленда 6, предназначенная для ограничения области образца, на котором проводятся измерения СКДО, а также для уменьшения засветки в процессе работы.

Метод Эрба для измерения СКДО относится к группе методов с использованием полусферических излучателей. Он предполагает измерение сигнала излучения, отраженного от исследуемого образца и от стенок интегрирующей сферы при её повороте на 6 различных углов (по три по и против часовой стрелки). На рис. 7 интегрирующая сфера находится в положении измерения сигнала от поверхности интегрирующей сферы при повороте на угол θ_i.

СКДО при использовании метода Эрба рассчитывается по формуле 2:

где R - радиус интегрирующей сферы;

r - радиус выходной апертуры интегрирующей сферы;

θ_i - i-й угол поворота интегрирующей сферы;

- сигнал приемника излучения при измерении яркости исследуемого образца, В

- сигнал приемника излучения при измерении яркости исследуемого образца с исключенной фоновой составляющей и темновым током;

- сигнал приемника излучения от поверхности сферы, когда сфера повернута на i-й угол, В.

- сигнал приемника излучения от поверхности сферы, когда сфера повернута на i-й угол с исключенной фоновой составляющей и темновым током;

- сигнал излучения, снятый при закрытых заслонках на приемнике излучения и входе монохроматора, В.

Установка для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» с приставкой «Mid-IR IntegratIR».

Для воспроизведения и передачи единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн используют ИК Фурье-спектрометр «SPECTRUM GX OPTICA», описание которого приведено выше, с приставкой «Mid-IR IntegratIR». Внешний вид приставки «Mid-IR IntegratIR» приведен на рис. 6.

Устройство включает в себя 3-дюймовую позолоченную интегрирующую сферу, высокочувствительный пироэлектрический приемник излучения, сопрягающие оптические элементы и электронную систему. Приемник с помощью электрического разъема 2 подключается к внешнему порту детектора Фурье-спектрометра. В верхней части интегрирующей сферы расположено отверстие 3 для исследуемых образцов, на которое устанавливают золотой эталонный образец или исследуемый образец. Внешний вид золотого эталонного образца приведен на рис. 7.

Рис. 6. Внешний вид золотого диффузно отражающего эталонного образца, входящего в комплект устройства.

Как видно, сфера имеет три отверстия. В рабочем положении сфера расположена таким образом, что порт для твердых образцов расположен сверху, а порт для исключения зеркальной составляющей, а также для порошков и непрозрачных жидкостей расположен внизу и в нерабочем положении он закрыт позолоченной заслонкой, являющейся частью сферы. Открывание этого порта осуществляется с помощью рычага 5, показанного на рис. 6.

Технические характеристики приставки диффузного отражения приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Основные технические характеристики приставки «Mid-IR IntegratIR» для ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA»

Характеристика	Значение
Размер сферы и поверхности, дюйм	3
Размер образца, мм	³ 23,5
Габариты приставки, мм	159 X 248 X 154
Приемник излучения	пироэлектрический приемник на соединении DTGS
Спектральный диапазон, см-1 широкополосный среднеполосный узкополосный	от 5000 до 500 от 5000 до 650 от 5000 до 800
Разрешение, см-1	от 4 до 8
Время сканирования, с	от 30 до 60

Установка для передачи единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн на основе спектрофотометра «LAMBDA 900» и приставки «PELA-1000»

Основным элементом Установки для и передачи единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн на основе спектрофотометра «LAMBDA 900» и приставки «PELA-1000» является спектрофотометр «LAMBDA 900» производства фирмы «PerkinElmer» (рис. 10). Технические характеристики спектрофотометра приведены в табл. 3.3.

Рис. 7. Внешний вид Установки для передачи единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн на основе спектрофотометра «LAMBDA 900» и приставки «PELA-1000»

Таблица 3.3. Основные технические характеристики спектрофотометра «LAMBDA 900»

Характеристика	Значение
Принцип действия	Двулучевой спектрофотометр с двойным монохроматором, регистрирует отношение интенсивностей излучения в УФ, видимой и ИК области спектра, управляется персональным компьютером.
Спектральный диапазон, мкм	от 0,2 до 2,5
Точность установки длины волны, нм УФ и видимый спектр ИК	± 0,08 ± 0,32
Воспроизводимость длины волны, нм УФ и видимый спектр ИК	< 0,02 < 0,08
Фотометрическая точность, %Т при D = 1 Б	± 0,1
Электропитание, В	от 90 до 250
при частоте, Гц	50/60
Габаритные размеры, мм	1020 x 630 x 300
Масса, кг	65
Условия эксплуатации: Температура, °С Относительная влажность, % Атмосферное давление, кПа	от +15 до +35 от 20 до 80 от 96 до 104

Рис. 8. Внешний вид приставки «PELA-1000»

Для измерения СКДО в спектрофотометр «LAMBDA 900» устанавливается приставка «PELA-1000», внешний вид которой приведен на рис. 9. Приставка включает в себя интегрирующую сферу, покрытую спектролоном. Основные технические характеристики приставки «PELA-1000» приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Основные технические характеристики приставки «PELA-1000» для спектрофотометра «LAMBDA 900»

Характеристика	Значение
Диаметр интегрирующей сферы, мм	150
Геометрия	0° / 8°
Материал покрытия	спектролон
Спектральный диапазон, мкм	от 0,2 до 2,5
Диаметр выходного порта для образцов, мм	20

Установка для передачи единицы величины СКЗО в ИК диапазоне длин волн на основе ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» с приставкой «1700 FT-IR»

Для передачи единицы величины СКЗО в ИК диапазоне длин волн Фурье-спектрометр «SPECTRUM GX OPTICA» используется совместно с приставкой «1700 FT-IR».

Рис. 9. Внешний вид приставки «1700 FT-IR» для ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA» фирмы «PerkinElmer»

Рис. 10. Оптическая схема приставки «1700 FT-IR» для ИК Фурье-спектрометра «SPECTRUM GX OPTICA»

В приставке «1700 FT-IR» реализован метод компарирования измеряемого образца с эталонным, для которого известен СКЗО в измеряемом диапазоне спектра.

3.1 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы

3.1.1 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины СКНП в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн

Основными источниками погрешности при воспроизведении единицы величины СКНП в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн являются:

-        погрешность измерения сигнала приемника излучения;

-        погрешность установки длины волны;

-        рассеянный свет;

-        поляризация;

-        нестабильность источника излучения.

Погрешность измерения сигнала приемника излучения - это погрешность мультиметра используемого при измерении.

Погрешность измерения мультиметра, который измеряет сигнал от приемника излучения, определяется по формуле 3:

где  - значение измеряемого сигнала, В;

- предел измерений шкалы мультиметра, В

- коэффициент, равный 2,5 на пределе шкалы измерений мультиметра 100 мВ и 1,5 на пределе шкалы измерений мультиметра 1 В;

- коэффициент, равный 3 на пределе шкалы измерений мультиметра 100 мВ и 0,3 на пределе шкалы измерений мультиметра 1 В.

Абсолютная составляющая неисключенной систематической погрешности воспроизведения единицы величины СКНП в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм, определяемая погрешностью установки длины волны, определяется по формуле 4:

где  - кривизна кривой СКНП как функции длины волны, нм^-1;

- погрешность установки длины волны монохроматического источника излучения, равная 0,15 нм в диапазоне длин волн от 0,2 до 1,1 мкм и 0,3 нм для диапазона длин волн от 1,1 до 2,5 мкм.

Значение среднего квадратического отклонения среднего арифметического (СКО) при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО вычисляется согласно формуле 5:

где А_i - i-е значение СКНП, СКЗО или СКДО;

- среднее арифметическое значение СКНП, СКЗО или СКДО рассчитанное по формуле 6:

n - количество измерений.

Доверительные границы неисключенной систематической погрешности (НСП) при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО вычисляются по формуле 7, если количество составляющих погрешностей не превышает 2 или по формуле 8, если количество составляющих более 2.

где θ_i - i-я составляющая неисключенной систематической погрешности;

m - количество составляющих неисключенной систематической погрешности.

где k - коэффициент равный 1,4 при доверительной вероятности Р = 0,99.

В соответствии с РМГ 43-2001 [3] абсолютная неопределенность при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО, оцениваемая по типу А, рассчитывается по формуле 9:

Абсолютная неопределенность при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО, оцениваемая по типу В, рассчитывается по формуле 10:

где k - коэффициент равный 1,4 при доверительной вероятности Р = 0,99.

Абсолютная суммарная стандартная неопределенность при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО рассчитывается по формуле 11:

Абсолютная расширенная неопределенность при воспроизведении и передаче единицы величины СКНП, СКЗО или СКДО рассчитывается по формуле 12:

где k - коэффициент охвата, рассчитываемый по формуле 13:

где  - квантиль распределения Стьюдента с эффективным числом степеней свободы ν_eff и доверительной вероятностью Р. Значения коэффициента  приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Значения коэффициентов Стьюдента  для случайной величины, имеющей распределение Стьюдента с  степенями свободы

	Р = 0,95	Р = 0,99			Р = 0,95		Р = 0,99
3	3,182	5,841	16		2,120		2,921
4	2,776	4,604	18		2,101		2,878
5	2,571	4,032	20		2,086		2,845
6	2,447	3,707	22		2,074		2,819
7	2,365	3,499	24		2,064		2,797
8	2,306	3,355	26		2,056		2,779
9	2,262	3,250	28		2,048		2,763
10	2,228	3,169	30		2,042		2,750
12	2,179	3,055			1,960		2,576
14	2,145	2,977

где n - количество измерений.

Для n > 30 измерений и доверительной вероятности Р = 0,99 k = 2,576.

Окончательные значения составляющих погрешности приведены в таблице 3.6

Таблица 3.6. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКНП в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм.

Источники погрешности	Обозн.	Значение
		от 0,2 до 0,4 мкм	от 0,4 до 0,9 мкм	от 0,9 до 2,5 мкм
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		5,0·10-4	2,6·10-4	1,0·10-4
Погрешность измерения сигнала приемника излучения	θ1	9,4·10-5	8,3·10-6	4,5·10-6
Погрешность установки длины волны	θ2	2,3·10-4	2,4·10-4	8,9·10-4
Рассеянный свет	θ3	3,5·10-5	3,5·10-5	1,7·10-5
Поляризация	θ4	5,2·10-4	1,5·10-4	5,2·10-4
Нестабильность источника излучения	θ5	1,2·10-5	8,7·10-6	1,2·10-5
Границы НСП	θΣ	8,1·10-4	4,1·10-4	1,4·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	5,0·10-4	2,6·10-4
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	3,3·10-4	1,7·10-4	5,9·10-4
Суммарная стандартная неопределенность	uC	6,0·10-4	3,1·10-4	6,0·10-4
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576)	UP	1,5·10-3	8,0·10-4	1,5·10-3

3.1.2 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины СКНП в ИК диапазоне длин волн

Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКНП в диапазоне длин волн от 2,0 до 20,0 мкм приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКНП в диапазоне длин волн от 2,0 до 20,0 мкм.

Источники погрешности	Обозн.	Значение
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		1,1·10-3
Фотометрическая точность прибора	θ1	2,5·10-3
Точность установки длины волны прибора	θ2	1,2·10-5
Границы НСП	θΣ	2,5·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	1,1·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	1,0·10-3
Суммарная стандартная неопределенность	uC	1,5·10-3
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576)	UP	3,9·10-3

3.1.3 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины оптической плотности в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн

В таблице 3.8 приведены неопределенности при воспроизведении единицы величины оптической плотности в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн.

Таблица 3.8. Неопределенности при воспроизведении единицы величины оптической плотности в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн

Наименование величины	Значение
	от 0,2 до 0,4 мкм	от 0,4 до 0,9 мкм	от 0,9 до 2,5 мкм	от 2,5 до 20,0 мкм
Диапазон измерений оптической плотности, Б	от 0,01 до 2,00	от 0,01 до 2,00	от 0,01 до 2,00	от 0,01 до 1,00
Суммарная стандартная неопределенность, Б	от 2,6·10-4 до 2,6·10-2	от 1,4·10-4 до 1,3·10-2	от 2,6·10-4 до 2,6·10-2	от 6,7·10-4 до 6,6·10-3
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576), Б	от 6,7·10-4 до 6,7·10-2	от 3,5·10-4 до 3,4·10-2	от 6,7·10-4 до 6,7·10-2	от 1,7·10-3 до 1,7·10-2

3.1.4 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины СКЗО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн

Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКЗО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКЗО

Источники погрешности	Обозн.	Значение
		от 0,2 до 2,5 мкм	от 2,5 до 20,0 мкм
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		от 4,0·10-4 до 7,0·10-4	от 7,0·10-4 до 2,0·10-3
Погрешность измерения сигнала от приемника излучения	θ1	от 1,6·10-6 до 5,2·10-4	от 5,2·10-4 до 3,5·10-2
Погрешность установки длины волны	θ2	от 9,6·10-5 до 3,5·10-4	от 3,5·10-4 до 1,0·10-3
Рассеяный свет	θ3	3,5·10-5	от 3,5·10-5 до 2,0·10-4
Поляризация	θ4	от 5,2·10-4 до 1,3·10-3	от 1,3·10-3 до 1,5·10-3
Нестабильность источника излучения	θ5	1,2·10-5	от 1,2·10-5 до 1,0·10-4
Погрешность установки заданного угла поворотного устройства	θ6	от 1,7·10-5 до 6,9·10-4	6,9·10-4
Границы НСП	θΣ	от 7,4·10-4 до 2,2·10-3	от 2,2·10-3 до 4,9·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	от 4,0·10-4 до 7,0·10-4	от 7,0·10-4 до 2,0·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	от 3,1·10-4 до 9,2·10-4	от 9,2·10-4 до 2,0·10-2
Суммарная стандартная неопределенность	uC	от 5,0·10-4 до 1,2·10-3	от 1,2·10-3 до 2,0·10-2
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576)	UP	от 1,3·10-3 до 3,0·10-3	от 3,0·10-3 до 5,2·10-2

3.1.5 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн

Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн приведены в таблице 3.10.

Таблица 3.10. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн.

Источники погрешности	Обозн.	Значение
		от 0,2 до 0,8 мкм	от 0,8 до 2,0 мкм
СКО		1,5·10-3	2,0·10-3
Погрешность измерения сигнала приемника излучения	θ1	3,8·10-3	4,5·10-3
Рассеянный свет	θ2	1,7·10-4	1,7·10-4
Неоднородность покрытия интегрирующей сферы	θ3	8,7·10-4	2,5·10-3
Наличие области нестыковки двух полусфер	θ4	1,7·10-4	1,7·10-4
Поляризация	θ5	1,7·10-4	2,0·10-4
Погрешность установки длины волны	θ6	6,1·10-5	1,8·10-4
Неоднородность освещения полусферы из-за наличия держателя образца	θ7	2,3·10-4	2,3·10-4
Стабильность источника излучения	θ8	2,6·10-3	2,6·10-3
Границы НСП	θΣ	6,6·10-3	8,1·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	1,5·10-3	2,0·10-3
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	2,7·10-3	3,3·10-3
Суммарная стандартная неопределенность	uC	3,1·10-3	3,9·10-3
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576)	UP	8,0·10-3	1,0·10-2

3.1.6 Анализ погрешностей и неопределенностей воспроизведения единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн

Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн приведены в таблице 3.11.

Таблица 3.11. Составляющие погрешности и неопределенности при воспроизведении единицы величины СКДО в ИК диапазоне длин волн.

Источники погрешности	Обозн.	Значение
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		2,0·10-2
Погрешность измерения СКДО прибором	θ1	от 2,5·10-3 до 1,0·10-2
Погрешность установки длины волны	θ2	от 1,5·10-4 до 1,7·10-3
Границы НСП	θΣ	1,2·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	2,0·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	4,8·10-3
Суммарная стандартная неопределенность	uC	2,1·10-2
Расширенная неопределенность (k0,99 = 2,576)	UP	5,3·10-2

3.2 Анализ погрешностей и неопределенностей передачи единицы подчиненным по поверочной схеме эталонам и средствам измерений

При передаче единицы величины СКНП при доверительной вероятности Р = 0,95 и не менее 10 измерениях расширенная неопределенность не превышает 1,5·10^-3 в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,9 мкм, 2,0·10^-3 в диапазонах длин волн от 0,2 до 0,4 мкм и от 0,9 до 2,5 мкм и 4,0·10^-3 в диапазоне длин волн от 2,5 до 20,0 мкм.

Составляющие погрешности и неопределенности при передаче единицы величины СКЗО в диапазоне длин волн от 2,5 до 20,0 мкм приведен в таблице 3.12.

метрологический погрешность эталон спектрофотометрия

Таблица 3.12. Составляющие погрешности и неопределенности при передаче единицы величины СКЗО в ИК диапазоне длин волн

Источники погрешности	Обозн.	Значение
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		1,2·10-2
Погрешность единицы величины СКЗО нанесенной на эталонный образец	θ1	2,5·10-2
Погрешность установки длины волны	θ2	1,2·10-2
Погрешность измерения СКЗО прибором	θ3	5,0·10-3
Границы НСП	θΣ	3,1·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	1,2·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	1,6·10-2
Суммарная стандартная неопределенность	uC	2,0·10-2
Расширенная неопределенность (k = 2)	UP	4,0·10-2

При передаче единицы величины СКДО при доверительной вероятности Р = 0,95 и не менее 10 измерениях расширенная неопределенность не превышает 1,0·10^-2 в УФ и видимом диапазоне длин волн.

Составляющие погрешности и неопределенности при передаче единицы величины СКДО в УФ, видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн приведены в таблице 3.13.

Таблица 3.13. Составляющие погрешности и неопределенности при передаче единицы величины СКДО в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм.

Источники погрешности	Обозн.	Значение
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического		1,0·14
Погрешность единицы величины СКДО нанесенной на эталонный образец	θ1	1,7·10-2
Погрешность установки длины волны	θ2	1,2·10-4
Погрешность измерения СКДО	θ3	2,9·10-3
Границы НСП	θΣ	2,5·10-2
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	uA	1,0·10-4
Стандартная неопределенность, оцененная по типу В	uB	1,0·10-2
Суммарная стандартная неопределенность	uC	1,0·10-2
Расширенная неопределенность (k = 2)	UP	2,0·10-2

Таблица 3.14. Результаты усовершенствования Государственного первичного спектрофотометрического эталона

Критерий сравнения	До усовершенствования	После усовершенствования
Спектральный диапазон измерения СКЗО, мкм	от 0,2 до 2,5	от 0,2 до 20,0
Спектральный диапазон измерения СКДО, мкм	от 0,2 до 2,5	от 0,2 до 20,0
Диапазон углов измерения СКЗО, град	8	от 8 до 75
Автоматизация	Нет	Да
Термостабилизация приемников излучения	Нет	Да
Стабилизация источника излучения	Нет	Да

4. Научно-исследовательская часть

4.1 Анализ составляющих неопределенности по типу Б спектрофотометрической установки измерения единицы величины СКНП

Неопределенность (измерения): Параметр, относящийся к результату измерения и характеризующий разброс значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине.

Параметром может быть, например, стандартное отклонение (или величина, пропорциональная стандартному отклонению) или полуширина интервала, которому соответствует заданный уровень доверия.

Неопределенность измерения, как правило, включает в себя много составляющих. Некоторые из них могут быть оценены из статистического распределения результатов ряда измерений и описаны выборочными стандартными отклонениями.

Другие составляющие, которые также могут быть описаны стандартными отклонениями, оценивают, исходя из основанных на опыте предположений или иной информации о виде закона распределения.

Предполагается, что результат измерения является лучшей оценкой измеряемой величины, а все составляющие неопределенности, включая обусловленные систематическими эффектами (разного рода поправками, используемым эталоном сравнения), вносят вклад в разброс значений измеряемой величины.

Основными источниками составляющих систематической погрешности результата измерений спектрального коэффициента направленного пропускания являются:

.        Нелинейность приемно-регистрирующей системы.

.        Линейные смещения системы во времени, обусловленные долговременной нестабильностью источника излучения и системы регистрации

.        Погрешность установки длин волн.

.        Мешающее излучение

.        Влияние конечной ширины щелей монохроматора

.        Зонная неравномерность фотоприемника

.        Наличие многократных переотражений в оптическом тракте

.        Неоптимальная геометрия потока излучения

.        Влияние поляризации

4.2 Анализ отдельных составляющих неопределенности по типу Б

.2.1 Нелинейность приемно-регистрирующей системы

Термин фотометрическая линейность определен как свойство фотометрической системы, для которой реализуется линейная зависимость между потоком излучения, падающим на детектор, и некоторой величиной, измеряемой с помощью данной системы. Для нелинейной приемно-регистрирующей системы связь между сигналом I (Ф), регистрируемым измерительной системой, и потоком излучения Ф, падающим на приемник, можно выразить в виде:

I(Ф)=n*Ф(1+Е(Ф))

где n-коэффициент преобразования потока излучения в измеряемый электрический сигнал;

Е(Ф)-коэффициент, учитывающий нелинейность приемно-регистрирующий и преобразующей системы и зависящий от потока излучения Ф.

В этом случае необходимо определить составляющую неопределенности по типу Б, обусловленную нелинейностью приемно-регистрирующей системы. погрешность  является функцией истинного значения Т, зависит от величины Е(Ф) и должна определяться с помощью независимых исследований линейности приемно-регистрирующей системы. Для определения величины  используется метод сложения потоков излучения и, в частности, метод получения корректировочной кривой с использованием некалиброванных ослабителей на основании экспериментальных данных, полученных с помощью двухапертурного устройства.

Двухапертурное устройство устанавливают перед устройством для измерения СКЗО и проводят исследование линейности приемно-измерительной системы.

Если система является нелинейной, т.е. система, дающая отсчеты I(Φ_A) и I(Φ_B) для потоков излучения Φ_A и Φ_B не дает отсчет I (Φ_A + Φ_B) = I(Φ_A) + I(Φ_B) после сложения этих двух потоков, вводится поправка σ (Φ_A , Φ_B):

Очевидно, что прямой функциональной зависимости между σ(Φ_A,Φ_B), рассчитанным на основании экспериментальных значений I(Φ_A + Φ_B); I(Φ_A); I(Φ_B) и Δr_л - нет. Однако, если две апертуры одинаковы и дают значения I(Φ_A) = I(Φ_B), получаем:

 

с учетом определения спектрального коэффициента зеркального отражения

 

где r_э - экспериментально полученное значение спектрального коэффициента зеркального отражения, получаем выражение для Δr_л:

 

Согласно (9.1) и (9.2) Δr_л связано с σ через ε(Φ).

Следовательно, возможно измерить σ(rΦ) для r_э и после обработки полученных результатов через ε(Φ) вычислить Δr_л. Для исследования динамического диапазона шкалы зеркального отражения используется набор нейтральных некалиброванных ослабителей. При этом не требуется выполнение условия деления светового потока на строго определенные части 1/2; 1/4; 1/8 и т.д. Ослабители поочередно устанавливают в держателе непосредственно перед двухапертурным устройством. Отметим, что при выводе формулы (9.4) используется истинное значение спектральных коэффициентов пропускания ослабителей t_о1…..t_оn

Однако, как будет показано ниже, для расчета Δr_л достаточно использовать экспериментальные значения r_э с учетом соответствующей порешности метода. Для серии ослабителей с t_о1…..t_оn рассчитывается набор значений σ₁ … σ_n, являющихся функцией rΦ. Серия измерений повторяется 5 раз. Представим σ(rΦ) в виде степенного ряда:

…

Согласно граничному условию r = 0; σ(rΦ) = 0 получаем а₀ = 0. Коэффициенты a(Φ) и b(Φ) определяются методом наименьших квадратов. Поправочный коэффициент ε (rΦ) представим в виде

 

Используя формулу с учетом разложения знаменателя в ряд Тейлора получается формула связи коэффициентов a, b, α, β

 ;

На основании с учетом получается зависимость Δr_л от коэффициентов a, b и τ :

 

Данный метод позволяет провести не только верхнюю оценку составляющей неопределенности, обусловленную нелинейностью приемно-регистрирующей системы, но учесть ее путем введения корректировочного члена соответственно на каждый уровень динамического диапазона.

Погрешности, обусловленные интерференционными и дифракционными эффектами двухапертурного метода, хорошо изучены и при соответствующей схеме и конструкции устройства являются незначительными. При исследовании нелинейности приемно-регистрирующей системы необходимо учесть линейные смещения сигналов во времени. Так как измеряемые величины являются отношением двух параметров (I/I₀), то для исследования нелинейности достаточно снимать данные через одинаковые временные интервалы Δt, чтобы учесть линейные смещения во времени, в течение которого снимается очередная серия экспериментальных значений. При этих условиях величиной, влияющей на точность измерений, является СКО результата измерений I:

,

где I_ν - n последовательных отсчетов одного и того же сигнала в моменты времени t; 2t … nt;

Снимаются следующие показания:

I(A) - сигнал при открытой диафрагме A

I(B) - сигнал при открытой диафрагме B(A+B) - сигнал при одновременно открытых диафрагмах A и B.

Диафрагмы A и B двухапертурной приставки открываются и закрываются с помощью соответственно двух электродвигателей, питание на которые подается от батареи 5В. Режим работы автоматический. Управление работой электродвигателей осуществляется через компьютер. Темновой ток усредняется и вычитается из значения сигналов отдельно для каждой серии А, В, А + В и т.д.

С учетом темнового тока регистрируется следующая последовательность 30 сигналов I через одинаковые промежутки времени:

I(A); I(A+B); I(B); I(B); I(A+B); I(A) …

Рассчитываются средние значения ; ;  и рассчитывается значение σ' :

Оценка СКО (dσ') результата определения σ проводится следующим образом. Учитывая, что σ является результатом косвенных измерений I, dσ' согласно ГОСТ 8.381-80 рассчитывается по формуле

где dI(A); dI(B); dI(A+B) определяются по формуле (9.5).

Ожидаемые значения I(νt), используемые в формуле (9.5), определяются отдельно для A; B; A+B:

,

,

,

где коэффициенты y(t) получаются при представлении серии значений

  

в виде линейной зависимости от времени y(t) = kx, где k определяется методом наименьших квадратов. Погрешность двухапертурного метода d(Δr), обусловленная линейными смещениями сигналов во времени, составляет ≈ 0,02% для видимой области спектра и, соответственно, 0,04% и 0,06% в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Были получены экспериментальные данные о влиянии этой составляющей неопределенности. Для получения этих данных использовались фильтры, предоставляемые для международных сличений по спектрофотометрии CCPR-K6. Для длины волны 380 нм для фильтров D21 и С16 измерения не приводились, в силу зашумленности сигнала. Результаты приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1. Составляющая неопределенности, обусловленная нелинейностью ПРС

	A22	B23	C16	D21	E16
380	7.22E-6	1.28E-5	1.32E-6	-	-
400	8.78E-6	1.17E-5	2.86E-6	5.09E-6	-
500	1.39E-5	9.97E-6	6.59E-6	7.29E-6	7.75E-6
600	1.40E-5	9.11E-6	7.47E-6	7.23E-6	4.52E-6
700	8.74E-6	1.64E-6	4.43E-6	5.91E-6	2.15E-6
800	1.20E-5	1.75E-5	8.31E-6	3.18E-6	5.12E-6
900	1.02E-5	1.02E-5	7.14E-6	2.63E-6	7.28E-6
1000	1.31E-5	5.68E-6	7.25E-6	6.04E-6	6.18E-6

.2.2 Нестабильность источника и системы регистрации

Для учета указанной погрешности разработана методика измерения спектрального коэффициента зеркального отражения. Измерение СКНП проводится таким образом, чтобы учесть изменение во времени потока излучения. Ниже представлена методика измерения спектрального коэффициента зеркального отражения для одного образца. Принцип работы эталона, построенного по однолучевой схеме, состоит в определении отношения потока излучения, отраженного от образца, к потоку, падающему на образец. При проведении измерений на фиксированной длине волны выполняется следующая последовательность отсчетов:

Сигнал I_T1, регистрируемый приемно-регистрирующей системой при перекрытом потоке излучения источника (сигнал соответствует уровню шума приемно-регистрирующей системы) в момент времени t₀.

Сигнал I_об1, регистрируемый приемно-регистрирующей системой с образцом в пучке излучения (сигнал соответствует потоку излучения отраженному от образца в момент времени t₁ = t₀ + Δt).

Сигнал I₀₁, регистрируемый приемно-регистрирующей системой без образцов в пучке излучения (сигнал соответствует потоку излучения падающему на образец) в момент времени t₁ + Δt₁.

Сигнал I₀₂, регистрируемый приемно-регистрирующей системой без образца в пучке излучения в момент времени t₁ + Δt₂.

Сигнал I_об2, регистрируемый приемно-регистрирующей системой с образцом в пучке излучения и момент времени t₁ + Δt₃.

Сигнал I_I2, регистрируемый приемно-регистрирующей системой при перекрытом потоке излучения источника в момент времени t₁ + Δt₄. Определяется среднее значение сигнала I_I за промежуток времени t₁ + Δt₄ - t₀, и рассчитывают значения I'_об1 , I'₀₁ , I'₀₂ , I'_об2 на основании измеренных значений I_об1 , I₀₁ , I₀₂ , I_об2 , с учетом уровня шума приемно-регистрирующей системы. Измерения проводятся со строго определенными значениями временных интервалов, а именно: Δt₂ = 2 Δt₁;

Δt₃ = 3Δt₁. Считается, что за промежуток времени 3Δt₁ произошло линейное смещение системы во времени:

I_об=rI₀(1+kt)_о=I₀(1+kt)

Среднее значение  можно записать виде ( t₁ = 0)

 

Из формул и видно, что для исключения составляющей неопределенности q₂ , обусловленной линейным смещением во времени, спектральный коэффициент пропускания надо рассчитывать как отношение  , где

, .

Установлено, что q₂ не превышает 0,02 % в видимой области спектра, и 0,03% в УФ и 0,04% в ИК областях спектра.

4.2.3 Погрешность установки длины волны

Погрешность градуировки шкалы длин волн в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра определяется на основании анализа результатов, полученных с помощью спектральной ртутно-гелиевой лампы ДРГС-12, аттестованной во ВНИИОФИ (Таблица 5.2). Для инфракрасной области спектра используются полосы поглощения образца ТАС-1. При помощи вдвижного зеркала ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12 помещается перед входной щелью монохроматора. Лампа включается соответственно ее режиму, указанному в инструкции по эксплуатации. Эталон переводят в автоматический пошаговый режим измерения сигнала  в диапазоне ±10 нм от длины волны аттестации находят максимум сигнала и длину волны, соответствующую максимальному сигналу. Указанные измерения проводят десять раз в течение дня. Длины волн полос поглощения ТОСП в ближней инфракрасной области спектра регистрируются следующим образом:

Образец ТОСП устанавливают в держателе образца и при помощи автоматического сканирования спектра находят длины волн, соответствующие максимальному ослаблению сигнала. Эти измерения проводят также десять раз в течение дня. Рассчитывают средние значения измеренных значений длин волн l_ср

Определяется систематическая составляющая погрешности шкалы длин волн Dl для указанных точек, как наибольшая разность длин волн l_ср и соответствующих спектральных линий лампы или ТОСП (lэ):

Dl=l_ср- l_э

Определяется среднеквадратическое отклонение случайной составляющей погрешности шкалы длин волн по формуле:

где l_i - результат i-го измерения;

l_ср - среднее арифметическое значение длины волны для каждой спектральной линии;

n - общее число измерении.

Суммарную погрешность шкалы длины волны определяют согласно ГОСТ 8.381-80 по формуле

Неисключенная систематическая погрешность результата измерения спектрального коэффициента направленного пропускания, обусловленная погрешностью установки длины волны, определяется по формуле:

Погрешность аттестации лампы составляет . Периодической поверке лампы не подлежат. Установлено, что суммарная погрешность шкалы длин волн в спектральном диапазоне 0,2 - 0,4 мкм не превышает q_З=0,05 нм, в спектральном диапазоне 0,4 - 1,0 мкм не превышает q_З =0,03 нм; в инфракрасном диапазоне 1,0 - 5,0 мкм - не превышает 0,05 нм.

В качестве эталонных мер спектральных коэффициентов зеркального отражения используются высококачественные напыленные зеркала, для которых величина dt/dl пренебрежимо мала, поэтому составляющей неопределенности q_З можно пренебречь.

.2.4 Исследование уровня мешающего излучения

Уровень мешающего излучения определен в ГОСТ27176-86 как отношение потока мешающего излучения всех длин волн к потоку при длине волны настройки оптического спектрального прибора для данной спектральной или эффективной ширины спектральных щелей.

По физической природе мешающее излучение в спектрофотометре при измерении спектральных коэффициентов диффузного отражения можно разделить на следующие типы.

- Мешающее излучение, обусловленное недостатками диспергирующего элемента: "паразитным" отраженным светом, недостаточностью фильтрации спектров высших порядков и т.д. Это излучение имеет полихроматический характер.

- Мешающее излучение, прошедшее к детектору от источников, расположенных извне (солнечное излучение, электроосвещение и т.д.). Этот тип мешающего излучения нельзя считать пренебрежительно малым при измерении слабых сигналов, что реализуется при работе установки в режиме измерения коэффициентов направленного пропускания слабопропускающих образцов.

3 - Мешающее излучение, связанное со спектральными свойствами исследуемого оптического слоя. Это так называемое мнимое рассеянное излучение, обусловленное флуоресценцией и фосфоресценцией. Исследование влияния мешающего излучения на погрешность измерений проводилось в режиме работы установки для измерения коэффициента пропускания.

Неопределенность, обусловленная рассеянным светом I типа, определяется наибольшим значением коэффициента пропускания, регистрируемого установкой при полном поглощении излучения 1% раствором иодида натрия, стекла типа KC-I5. С учетом мешающего излучения 2 и 3 типа суммарная неопределенность, обусловленная рассеянным светом, не превышает q₄ = 0,005%.

.2.5 Конечная величина ширины спектральной полосы

Неопределенность, обусловленная конечной величиной ширины спектральной полосы, оценивалась для цветных фильтров СС2 и ЖЗС9. Эта неопределенность вычислялась по формуле:

 

где w - полуширина выделяемой спектральной полосы (w=0,5 нм);

t - спектральный коэффициент направленного пропускания фильтра. Вторая производная коэффициента пропускания d²t/dl² рассчитывалась на основании экспериментально полученных значений коэффициента пропускания t_l, t_l+2 , t_l-2

на соответственных длинах волн l, l+2, l-2 нм по формуле:

При выводе формулы для расчета q₅ форма аппаратной функции аппроксимировалась на основании экспериментальных исследований к форме равнобедренного треугольника, в пределах которого чувствительность приемника считалась постоянной. Установлено, что q₅ не превышает 0,005%.

4.2.6 Неидентичность световых пучков

При воспроизведении спектрального коэффициента зеркального отражения дополнительно исследуется влияние на погрешность измерений смещения светового пучка относительно поверхности фотоприемника при измерении падающего и отраженного пучков излучения, а также неидентичности световых пучков при проведении измерений, что особенно важно при измерениях в ИК области спектра, когда сильное влияние на ослабление световых потоков оказывает наличие пыли и водяных паров в атмосфере и сложность сравнения двух незначительно отличающихся друг от друга световых потоков в случае, когда коэффициенты отражения зеркал близки к единице. При конструировании устройства для измерения СКЗО этому фактору уделялось большое внимание. Оптические пути для падающего и отраженного пучков излучения строго одинаковы, в устройстве используются прецизионные позиционирующие устройства, в которых сведены к минимуму торцевые и осевые биения. В зависимости от угла падения излучения на образец, отраженный пучок имеет разные размеры поперечного сечения, поэтому в устройстве предусмотрена германиевая просветленная линза перед ИК приемником, которая полностью перехватывает падающий на нее поток излучения и фокусирует его на приемной площадке приемника. Однако из-за отражения излучения от поверхностей линзы при разных сечениях пучков излучения возникает составляющая погрешности q₇, которая оценивалась экспериментально и не превышала величины q₇ = 0,08%.

.2.7 Влияние поляризации излучения

При проведении международных сличений по измерению коэффициента направленного пропускания в спектральном диапазоне 0,3÷1,0 мкм CCPR-K6 были проведены исследования составляющей неопределенности по типу Б, обусловленной влиянием поляризации излучения.

Излучение, выходящее из монохроматора, является частично поляризованным, что является источником погрешности при проведении измерений СКНП. Эта составляющая погрешности исключается при проведении измерений в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях поляризации. Для этого в пучок излучения перед устройством для измерения СКНП установлен поляризатор, представляющий собой плоский поляризатор, установленный в поворотной оправе. Измерения на каждой длине волны проводят сначала при исходном положении поляризатора в положении шкалы 0, затем его поворачивают на 90° в положение, соответствующее шкале 9 и проводят второе измерение. За истинное значение СКНП на данной длине волны принимают среднее значение по результатам обоих измерений. При проведении исследований использовались фильтры для международных сличений. Поэтому было так же учтено значение, полученное без использования поляризатора и принято за истинное. Разницу между средним значением с поляризатором и истинным значением считаем величиной составляющей неопределенности.

В представленных таблицах собраны экспериментальные значения влияния поляризации для всех измеряемых фильтров. Измерения производились на заданных длинах волн, указанных в первом столбце. В колонке 0 представлены измерения СКНП при исходном положении поляризатора, в колонке 9 - при повернутом положении. В следующей колонке приведено среднее значение по этим двум измерениям. В пятой колонке таблицы представлено истинное значение СКНП без использования поляризатора. В последней колонке рассчитана величина составляющей неопределенности.

Таблица 4.2. Величина поляризационной неопределенности при измерении фильтра Е16

λ, нм	0	9	среднее	истинное	разница
500	0,00095	0,00095	0,00095	0,00095	0,00000
600	0,00102	0,00102	0,00102	0,00103	-0,00001
700	0,00516	0,00515	0,00515	0,00515	0,00000
800	0,00983	0,00983	0,00983	0,00983	0,00000
900	0,00856	0,00856	0,00856	0,00856	0,00000
1000	0,00723	0,00724	0,00723	0,00723	0,00000

5. Обработка результатов измерений

На основании измерений, проведенных в рамках международных сличений по измерению спектрального коэффициента направленного пропускания ССPR-K6, были рассчитаны все составляющие неопределенности по типу Б, неопределенности по типу А и Б, расширенная неопределенность измерений.

Таблица 5.1 Основные этапы данных сличений CCPR Key Comparison K6 Spectral regular transmittance, 2010 г.

Мероприятия	Статус
Отправка приглашений участникам	Завершено
Первая серия измерений пилотной лаборатории	Завершено
Первая серия измерений участников	Завершено
Вторая серия измерений пилотной лаборатории	Завершено
Вторая серия измерений участников	Завершено
Третья серия измерений пилотной лаборатории	Завершено
Оформление отчета по сличениям Draft A	В процессе
Оформление отчета по сличениям Draft В	-

Результаты сличений CCPR Key Comparison K6 Spectral regular transmittance, 2010 г. первой серии измерений участников

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: A

Результаты измерений шаг 2. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.2 Результаты измерений

Длина волны (нм)	380	400	500	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	9,3433E-05	1,2213E-04	1,1255E-04	1,0040E-04	8,2904E-05	7,5316E-05	4,9124E-05	6,8812E-05
Стандартная неопределенность, оцененная  по типу Б	4,9937E-04	1,2933E-03	1,3255E-03	1,0052E-03	7,6411E-04	7,8985E-04	7,1547E-04	1,1462E-03
Суммарная стандартная неопределенность	5,0804E-04	1,2991E-03	1,3302E-03	1,0102E-03	7,6860E-04	7,9343E-04	7,1716E-04	1,1483E-03
Степени свободы	7,8673E+03	1,1521E+05	1,7561E+05	9,2225E+04	6,6486E+04	1,1085E+05	4,0882E+05	6,9785E+05

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.3 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	380	400	500	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	7,2171E-06	8,7833E-06	1,3860E-05	1,3983E-05	8,7377E-06	1,2001E-05	1,0165E-05	1,3118E-05
неточность установки длины волны	8,6271E-06	2,9978E-06	1,4648E-06	1,1898E-06	8,8534E-07	7,3765E-07	8,9227E-07	0
рассеянный свет	0	0	0	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	1,2702E-04	9,4685E-04	1,2471E-03	9,2953E-04	5,2539E-04	1,1547E-04	2,3094E-05	5,7735E-06
переотражение	0	0	0	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0	0	0	0
поляризация излучения	4,8282E-04	8,8096E-04	4,4883E-04	3,8224E-04	5,5476E-04	7,8127E-04	7,1503E-04	1,1461E-03
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	4,9937E-04	1,2933E-03	1,3255E-03	1,0052E-03	7,6411E-04	7,8985E-04	7,1547E-04	1,1462E-03
Степени свободы	7,8673E+03	1,1521E+05	9,2225E+04	6,6486E+04	1,1085E+05	4,0882E+05	6,9785E+05

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: В

Результаты измерений шаг 2. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.4 Результаты измерений

Длина волны (нм)	500	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	-	10	-
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	2,8999E-05	1,2861E-05	2,2239E-05	-	2,3165E-05	-
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	5,1607E-04	4,1801E-04	4,3858E-04	-	4,5284E-04	-
Суммарная стандартная неопределенность	5,1688E-04	4,1821E-04	4,3915E-04	-	4,5343E-04	-
Степени свободы	9,0845E+05	1,0062E+07	1,3683E+06	-	1,3211E+06	-

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.5 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	500	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	9,9724E-06	9,1111E-06	1,6413E-06	-	1,0161E-05	-
неточность установки длины волны	1,3738E-05	3,1704E-05	6,9918E-05	-	5,5641E-05	-
рассеянный свет	0	0	0	-	0	-
Размер щели и позиция образца	4,3301E-04	3,8105E-04	3,2909E-04	-	2,7713E-04	-
переотражение	0	0	0	-	0	-
отклонение	0	0	0	-	0	-
поляризация излучения	2,8025E-04	1,6866E-04	2,8136E-04	-	3,5365E-04	-
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	-	0	-
Пропускная способность	0	0	0	-	0	-
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	5,1607E-04	4,1801E-04	4,3858E-04	-	4,5284E-04	-
Степени свободы	9,0845E+05	1,0062E+07	1,3683E+06	-	1,3211E+06	-

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: С

Результаты измерений шаг 2. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.6 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,5709E-05	1,5456E-05	5,2144E-06	1,5937E-06	8,7464E-07
Суммарная стандартная неопределенность	1,0818E-04	1,5653E-04	1,2157E-04	9,7219E-05	1,1790E-04
Степени свободы	1,0932E-04	1,5729E-04	1,2168E-04	9,7232E-05	1,1790E-04
Количество измерений	2,1107E+04	9,6522E+04	2,6687E+06	1,2468E+08	2,9720E+09

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.7 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	7,4669E-06	4,4322E-06	8,3053E-06	7,1397E-06	7,2453E-06
неточность установки длины волны	9,6754E-05	1,3168E-05	5,4218E-05	3,0073E-05	8,7106E-05
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	4,6188E-05	1,5588E-04	9,8150E-05	8,6603E-05	6,9282E-05
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	1,2394E-05	2,8098E-06	4,6227E-05	3,1562E-05	3,8221E-05
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0818E-04	1,5653E-04	1,2157E-04	9,7219E-05	1,1790E-04
Степени свободы	2,1107E+04	9,6522E+04	2,6687E+06	1,2468E+08	2,9720E+09

Результаты измерений шаг 2. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.8 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	4,0983E-06	1,1828E-05	1,8993E-06	1,2677E-06	3,4157E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	2,3010E-05	3,1560E-05	2,2706E-05	1,3137E-05	2,2533E-05
Суммарная стандартная неопределенность	2,3372E-05	3,3704E-05	2,2786E-05	1,3198E-05	2,2790E-05
Степени свободы	9,5201E+03	5,9328E+02	1,8642E+05	1,0576E+05	1,7838E+04

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.9 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	7,2350E-06	5,9134E-06	3,1843E-06	2,6306E-06	6,0397E-06
неточность установки длины волны	2,1018E-05	6,5124E-06	1,1202E-05	6,7509E-06	1,9221E-05
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	5,7735E-06	2,8868E-05	1,1547E-05	5,7735E-06	5,7735E-06
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	1,4241E-06	9,2376E-06	1,5704E-05	9,3146E-06	8,2754E-06
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	3,1560E-05	2,2706E-05	1,3137E-05	2,2533E-05
Степени свободы	9,5201E+03	5,9328E+02	1,8642E+05	1,0576E+05	1,7838E+04

Результаты измерений шаг 2. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.10 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	1,5581E-06	3,6551E-06	1,9391E-06	2,3152E-06	3,8781E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0497E-05	8,2371E-06	1,8227E-05	1,9007E-05	1,5653E-05
Суммарная стандартная неопределенность	1,0612E-05	9,0117E-06	1,8330E-05	1,9147E-05	1,6126E-05
Степени свободы	1,9362E+04	3,3254E+02	7,1870E+04	4,2104E+04	2,6907E+03

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.11 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	4,5164E-06	2,1536E-06	5,1232E-06	7,2818E-06	6,1808E-06
неточность установки длины волны	4,7611E-06	5,4001E-06	1,4631E-06	1,5319E-06	8,3531E-06
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	5,7735E-06	5,7735E-06	1,7321E-05	1,7321E-05	1,1547E-05
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	5,8120E-06	8,4678E-07	1,9630E-06	2,4249E-06	1,9245E-06
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0497E-05	8,2371E-06	1,8227E-05	1,9007E-05	1,5653E-05
Степени свободы	1,9362E+04	3,3254E+02	7,1870E+04	4,2104E+04	2,6907E+03

Результаты сличений CCPR Key Comparison K6 Spectral regular transmittance, 2010 г. второй серии измерений участников

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: A

Результаты измерений шаг 4. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.12 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	2,4720E-05	1,6485E-05	1,2403E-05	7,8057E-06	1,6309E-05
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0052E-03	7,6411E-04	7,8985E-04	7,1547E-04	1,1462E-03
Суммарная стандартная неопределенность	1,0055E-03	7,6429E-04	7,8995E-04	7,1552E-04	1,1463E-03
Степени свободы	2,4634E+07	4,1582E+07	1,4810E+08	6,3545E+08	2,1965E+08

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.13 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	1,3983E-05	8,7377E-06	1,2001E-05	1,0165E-05	1,3118E-05
неточность установки длины волны	1,1898E-06	8,8534E-07	7,3765E-07	8,9227E-07	0
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	9,2953E-04	5,2539E-04	1,1547E-04	2,3094E-05	5,7735E-06
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	3,8224E-04	5,5476E-04	7,8127E-04	7,1503E-04	1,1461E-03
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0052E-03	7,6411E-04	7,8985E-04	7,1547E-04	1,1462E-03
Степени свободы	2,4634E+07	4,1582E+07	1,4810E+08	6,3545E+08	2,1965E+08

Результаты измерений шаг 4. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.14 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	2,7258E-05	1,8769E-05	1,4744E-05	6,7638E-06	5,6853E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	4,1801E-04	4,3858E-04	4,9914E-04	4,5284E-04	5,5023E-04
Суммарная стандартная неопределенность	4,1890E-04	4,3899E-04	4,9935E-04	4,5289E-04	5,5026E-04
Степени свободы	5,0202E+05	2,6931E+06	1,1842E+07	1,8091E+08	7,8975E+08

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.15 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	9,1111E-06	1,6413E-06	1,7521E-05	1,0161E-05	5,6834E-06
неточность установки длины волны	3,1704E-05	6,9918E-05	8,6643E-05	5,5641E-05	5,5641E-05
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	3,8105E-04	3,2909E-04	3,2332E-04	2,7713E-04	3,4064E-04
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	1,6866E-04	2,8136E-04	3,6985E-04	3,5365E-04	4,2847E-04
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	4,1801E-04	4,3858E-04	4,9914E-04	4,5284E-04	5,5023E-04
Степени свободы	5,0202E+05	2,6931E+06	1,1842E+07	1,8091E+08	7,8975E+08

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: С

Результаты измерений шаг 4. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	1,3507E-05	1,2081E-05	4,2939E-06	3,0904E-06	3,6539E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0818E-04	1,5653E-04	1,2157E-04	9,7219E-05	1,1790E-04
Суммарная стандартная неопределенность	1,0902E-04	1,5699E-04	1,2164E-04	9,7268E-05	1,1796E-04
Степени свободы	3,8204E+04	2,5663E+05	5,7968E+06	8,8326E+06	9,7750E+06

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.17 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	7,4669E-06	4,4322E-06	8,3053E-06	7,1397E-06	7,2453E-06
неточность установки длины волны	9,6754E-05	1,3168E-05	5,4218E-05	3,0073E-05	8,7106E-05
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	4,6188E-05	1,5588E-04	9,8150E-05	8,6603E-05	6,9282E-05
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	1,2394E-05	2,8098E-06	4,6227E-05	3,1562E-05	3,8221E-05
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0818E-04	1,5653E-04	1,2157E-04	9,7219E-05	1,1790E-04
Степени свободы	3,8204E+04	2,5663E+05	5,7968E+06	8,8326E+06	9,7750E+06

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: D

Результаты измерений шаг 4. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.18 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	2,3561E-06	3,0140E-06	1,2894E-06	9,8883E-07	1,2806E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	2,3010E-05	3,1560E-05	2,2706E-05	1,3137E-05	2,2533E-05
Суммарная стандартная неопределенность	2,3131E-05	3,1704E-05	2,2743E-05	1,3175E-05	2,2569E-05
Степени свободы	8,3603E+04	1,1018E+05	8,7115E+05	2,8360E+05	8,6822E+05

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.19 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
нелинейность приемно-регистрирующей системы	7,2350E-06	5,9134E-06	3,1843E-06	2,6306E-06	6,0397E-06
неточность установки длины волны	2,1018E-05	6,5124E-06	1,1202E-05	6,7509E-06	1,9221E-05
рассеянный свет	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца	5,7735E-06	2,8868E-05	1,1547E-05	5,7735E-06	5,7735E-06
переотражение	0	0	0	0	0
отклонение	0	0	0	0	0
поляризация излучения	1,4241E-06	9,2376E-06	1,5704E-05	9,3146E-06	8,2754E-06
Колебания и неточность установки источника	0	0	0	0	0
Пропускная способность	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	2,3010E-05	3,1560E-05	2,2706E-05	1,3137E-05	2,2533E-05
Степени свободы	8,3603E+04	1,1018E+05	8,7115E+05	2,8360E+05	8,6822E+05

Испытательная лаборатория: ФГУП «ВНИИОФИ» Фильтр: E

Результаты измерений шаг 4. Все неопределенности должны быть соотнесены с абсолютной неопределенностью.

Таблица 5.20 Результаты измерений

Длина волны (нм)	600	700	800	900	1000
Количество измерений	10	10	10	10	10
Стандартная неопределенность, оцененная по типу А	1,0667E-06	2,0483E-06	9,4516E-07	8,6667E-07	1,1547E-06
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б	1,0497E-05	8,2371E-06	1,8227E-05	1,9007E-05	1,5653E-05
Суммарная стандартная неопределенность	1,0551E-05	8,4880E-06	1,8252E-05	1,9026E-05	1,5695E-05
Степени свободы	8,6147E+04	2,6539E+03	1,2516E+06	2,0905E+06	3,0723E+05

Измерения СКНП проведены для центральной части образца диаметром 17 мм.

Таблица 5.21 Оценка бюджета стандартной неопределенности, оцененной по типу Б

Длина волны (нм)	380	400	500	600	700	800	900	1000	Поправочный коэффициент
нелинейность приемно-регистрирующей системы			7,7485E-06	4,5164E-06	2,1536E-06	5,1232E-06	7,2818E-06	6,1808E-06	0,99
неточность установки длины волны			7,9151E-08	4,7611E-06	5,4001E-06	1,4631E-06	1,5319E-06	8,3531E-06	0,8
рассеянный свет			0	0	0	0	0	0
Размер щели и позиция образца			0	5,7735E-06	5,7735E-06	1,7321E-05	1,7321E-05	1,1547E-05	0,9
переотражение			0	0	0	0	0	0
отклонение			0	0	0	0	0	0
поляризация излучения			2,6558E-06	5,8120E-06	8,4678E-07	1,9630E-06	2,4249E-06	1,9245E-06	0,99
Колебания и неточность установки источника			0	0	0	0	0	0
Пропускная способность			0	0	0	0	0	0
Стандартная неопределенность, оцененная по типу Б			8,1914E-06	1,0497E-05	8,2371E-06	1,8227E-05	1,9007E-05	1,5653E-05
Степени свободы			6,4655E+04	2,6539E+03	1,2516E+06	2,0905E+06	3,0723E+05

Воспроизведение единицы СКНП состоит в измерении на спектрофотометрической установке потока излучения на заданной длине волны, прошедшего без рассеяния через образец; потока излучения на той же длине волны, падающего на образец с последующей обработкой результатов на ПК.

За результат воспроизведения единицы СКНП принимают среднее арифметическое 25 результатов измерений.

Неопределенность, оцениваемая по типу А результата воспроизведения единицы СКНП на каждой длине волны, определяется как

 - i-й результат наблюдения;

 - среднее арифметическое результатов наблюдений;

- число наблюдений (=10);

Доверительные границы относительной неопределенности результата воспроизведения единицы СКНП на каждой длине волны определяются следующим выражением:

 - граница i-ой составляющей непоределенности по типу Б погрешности результатов измерений;

 - количество учитываемых составляющих неопределенности.

Соответственно расширенная неопределенность измерений рассчитывается по формуле:

Заключение

Модернизация первичного государственного спектрофотометрического эталона позволяет обеспечить единство спектрофотометрических измерений в России для существующей метрологической базы; обеспечить средствами измерений новых приборов, созданных как в нашей стране, так и за рубежом; создать эталонную базу для метрологического обеспечения экологии, медицины и контроля качества продукции и товаров

Усовершенствованный эталонный комплекс позволит обеспечить единство измерений в области спектрофотомерии на современном уровне, откроет новые возможности в метрологическом обеспечении при разработке новой высокоточной техники, а также развитии новых наукоемких технологий в области космической техники, радиоэлектроники, обороны, светотехники, медицины, экологии, охраны окружающей среды и т. д.

А это, в свою очередь, создаст предпосылки для повышения качества и конкурентоспособности продукции отечественных производителей.

Усовершенствованный государственный первичный эталон прошел международные сличения. По результатам этих сличений мы можем видеть, что отечественный эталон практически не уступает лучшим мировым аналогам.

Сравнение основных характеристик и суммарной неопределенности разрабатываемого эталона и лучших зарубежных аналогов.

Список литературы

1. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Издательство стандартов, 1972.

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

. Иванов В.С., Золотаревский Ю.М., Котюк А.Ф. и др. Основы оптико-электроных измерений в фотонике: Учеб. пособие. М.: Логос, 2004

. Золотаревский Ю.М., Иванов В.С., Котюк А.Ф. Основы оптической радиометрии. М.: Физматлит, 2003.

. Крутиков В.Н., Кононогов С.А., Золотаревский Ю.М. Нормативно-правовое обеспечение единства измерений. М.: Логос, 2014. Т-1

. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976

. Справочник технолога-оптика. / Под ред. Окатова М.А., Спб.: Политехника, 2004.

. Специальные разделы прикладной оптики. Учебно-методическое пособие. / Под редакцией Шехонина А.А. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008.

. Лагутин В.И., Лапин А.Г. Многократные отражения как источник погрешностей в однолучевых УВИ-спектрометрах. ОМП, 1976.

. РМГ-43-2001. / Рекомендации по межгосударственной стандартизации. ГСОЕИ. Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений". Минск, 2001.

. ГОСТ 8.557-2007. / Государственная поверочная схема для средств измерений спектральных, интегральных и редуцированных коэффициентов направленного пропускания в диапазоне длин волн 0,2-50,0 мкм, диффузного и зеркального отражений в диапазоне длин волн 0,2-20 мкм. М.: Стандартинформ, 2008.

. ГОСТ Р 54500.3-2011. / Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения. М.: Стандартинформ, 2012.

. ГОСТ 8.381-2009. / Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения точности. М.: Стандартинформ, 2011.

. ГОСТ 8.885-2015. / Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2015.