Nghiên cứu, phát triển hệ thống chuẩn thang độ nhạy, độ rọi tại viện đo lường Việt Nam

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 127 NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CHUẨN THANG ĐỘ NHẠY, ĐỘ RỌI TẠI VIỆN ĐO LƯỜNG VIỆT NAM Cao Xuân Quân*, Hoàng Ngọc Dũng, Lê Ngọc Hiếu, Lê Thị Thu Thủy, Nguyễn Thị Huyền Tóm tắt: Trong lĩnh vực đo lường quang tại Việt Nam, hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi rất cần thiết được phát triển. Hiện nay, có hai phương pháp được sử dụng để phát triển hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi, đó là phương pháp sử dụng nguồn sáng chuẩn (đèn chuẩn cường độ sáng) và phương pháp so sánh với quang kế chuẩn đã biết giá trị thang độ nhạy độ rọi. Tuy nhiên, các phương pháp được phát triển ra hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi với mục tiêu có độ không đảm bảo đo nhỏ. Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu phát triển hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi (VMI-PR-006) dùng để hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn, dựa trên cơ sở phương pháp so sánh với quang kế chuẩn đã biết. Từ khóa: Đo lường quang, Thang độ nhạy độ rọi (A/lx), Quang kế chuẩn, ĐLVN 257:2014. 1. GIỚI THIỆU Thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn (A/lx) có vai trò đặc biệt quan trọng dùng để thiết lập cường độ sáng, quang thông, độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn, độ rọi chuẩn [1,6,7,8]. Đặc biệt, trong nội dung ĐLVN 257:2014, yêu cầu kỹ thuật đối với quang kế chuẩn dùng để kiểm định phương tiện đo độ rọi là được dẫn xuất từ thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn với độ không đảm bảo đo mở rộng U ≤ 1,0% (k=2) [9]. Hiện nay, hầu hết các phòng Đo lường quang học tại các Viện Đo lường Quốc gia (NMIs-National Institute of Metrology) đã nghiên cứu phát triển hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi trên cơ sở phương pháp so sánh với quang kế chuẩn đã biết thang độ nhạy độ rọi (A/lx). Trong phương pháp này, thang độ nhạy độ rọi chuẩn (A/lx) của quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn được xác định dựa trên thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn (A/lx) đã biết. Thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn được tính biểu thức sau [1, 3, 4]: T RT T v v R R v y sy s E y CCF     (1) trong đó, Tvs , R vs tương ứng là độ nhạy độ rọi của quang kế cần hiệu chuẩn và quang kế chuẩn (A/lx), Ty , Ry tương ứng là dòng quang đo được từ quang kế cần hiệu chuẩn và quang kế chuẩn (A), RCCF là hệ số hiệu chính màu và được tính theo biểu thức[3]:                         dSe dVe dVe dSe CCF relt t s rels (2) Vật lý C. X. Quân, H. N. Dũng, , “Nghiên cứu, phát triển hệ thống Viện Đo lường Việt Nam.” 128 trong đó, se là phân bố phổ nguồn sáng A (CIE illuminant A), te là phân bố phổ nguồn sáng dùng cho hiệu chuẩn độ nhạy độ rọi đo bằng thiết bị đo phổ bức xạ, relS là độ nhạy phổ tương đối của quang kế chuẩn,  V  là hàm độ nhạy phổ mắt người. Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu phát triển hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi. Phương pháp hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn là phương pháp so sánh với thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn tại các khoảng cách khác nhau. Chúng tôi đã sử dụng hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi được nghiên cứu phát triển (VMI-PR-006) để tiến hành hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn (P11FOT-AG*; S/N: 12B236) và có tính đến hệ số En. 2. THỰC NGHIỆM Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi VMI-PR-006 do nhóm nghiên cứu chế tạo tại VMI đã sử dụng quang kế chuẩn (model: P30SCT; S/N: 09B622; U= 0,8%; Hãng LMT-Đức) và thiết bị đo dòng nhỏ (Pico-ammeter, Keithley 6485) để đo dòng quang. Đối tượng nghiên cứu là quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn (P11FOT- AG*; S/N: 12B236). Sơ đồ hệ thống chuẩn VMI-PR-006 được biểu diễn trên hình 1. Hình 1. Sơ đồ hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi (VMI-PR-006). Chúng tôi sử dụng đèn chuẩn Tungsten halogen (P = 1kW, FEL) được lắp đặt trên giá trắc quang và căn chỉnh thông qua thiết bị định tâm bằng laser. Điều kiện làm việc của đèn chuẩn với nhiệt độ màu TC = 2700 K ÷ 3200 K được xác định thông qua thiết bị đo phổ bức xạ CS-2000A (Konica Minolta, Japan). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 129 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN Điều kiện làm việc của đèn được xác định bằng cách khảo sát ảnh hưởng của điện áp đến nhiệt độ màu đặc trưng của đèn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành tăng dòng nuôi cho đèn chuẩn đến khi đèn chuẩn phát xạ ra nhiệt độ màu đặc trưng (CT = 2856K), thời gian thực hiện tăng dòng nuôi t  2 phút. Đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt độ màu vào điện áp của đèn chuẩn được biểu diễn trong hình 2 dưới đây. Hình 2. Đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ màu vào điện áp của đèn chuẩn. Từ kết quả thu được trên hình 2, chúng ta có thể xác định được điều kiện làm viêc của đèn chuẩn. Như vậy, vùng điện áp (V) cung cấp làm cho đèn chuẩn phát xạ ra bức xạ có nhiệt độ màu đặc trưng CT = 2856 K được xem là vùng điện áp (V) được lựa chọn để làm việc của đèn chuẩn. Có thể thấy, điện áp làm việc của đèn chuẩn là khoảng U = 92,12 V  92,23 V. Để đánh giá mức độ tin cậy của hệ thống chuẩn VMI-PR-006 (VMI) dùng để hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn (A/lx). Chúng tôi tiến hành hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn (P11FOT- AG*; S/N: 12B236, hãng LMT, Germany) được thực hiện trên hệ thống chuẩn VMI-PR-006 (VMI). Kết quả thu được được tổng hợp trong bảng 1 và 2 dưới đây. Bảng 1. Kết quả hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn ( P11FOT-AG*) trên hệ thống chuẩn VMI-PR-006. TT Mức độ rọi chuẩn (lx) Dòng quang (nA) Giá trị độ nhạy được xác định trên hệ VMI-PR-006 Sv, (A/lx) 1 100 2445,937 24,46 2 300 7325,385 24,42 3 500 12257,88 24,52 4 1000 24506,25 24,51 5 2000 49420,00 24,71 Vật lý C. X. Quân, H. N. Dũng, , “Nghiên cứu, phát triển hệ thống Viện Đo lường Việt Nam.” 130 Bảng 2. Ước lượng độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn ( P11FOT-AG*)[5,6]. Các thành độ không đảm bảo đo Mô tả Độ không đảm bảo đo chuẩn thành phần tương đối )(yur [%] Hệ số nhạy ic  yuc ri %  repRr yu Gây ra bởi các phép đo lặp quang kế chuẩn 0,01 1 0,01  alignRyru Gây ra bởi việc lắp đặt quang kế chuẩn 0,01 1 0,01 instrument R r yu )( Gây ra bởi dòng nuôi đèn chuẩn 0,01 6 0,06  straylightRr yu Gây ra bởi ánh sáng phông 0,01 1 0,01   cal R vr Su Độ không đảm bảo đo quang kế chuẩn 0,40 1 0,40  repTyru Gây ra bởi các phép đo lặp quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn 0,01 1 0,01  straylightTr yu Gây ra bởi ánh sáng phông 0,08 1 0,08  instrumentTr yu Gây ra bởi dòng nuôi đèn chuẩn 0,01 12 0,12  alignTyru Gây ra bởi việc lắp đặt quang kế chuẩn cần hiệu chuẩn 0,12 1 0,12 r reprou Độ tái lặp hệ thống chuẩn 0,12 1 0,12  Tvcr Su , Độ không đảm bảo đo tổng hợp 0,46  Tvr SU ; k=2 Độ không đảm bảo đo mở rộng 0,92 Độ không đảm bảo đo mở rộng thu được khi hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn (P11FOT-AG*) trên hệ thống chuẩn VMI-PR-006 có giá trị là U = 0,92% với hệ số phủ k = 2. Kết quả này cho phép nhận thấy hệ thống chuẩn VMI- PR-006 được nghiên cứu xây dựng có độ chính xác cao tương đương với các hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi trong khu vực. Để khẳng định kết luận này, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 131 chúng tôi tiến hành so sánh kết quả hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn trên hai hệ thống chuẩn VMI-PR-006 và KRISS [2]. Kết quả so sánh được chỉ ra trong bảng 3 sau đây. Bảng 3. Kết quả so sánh phép hiệu chuẩn độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn giữa hai hệ đo VMI-PR-006 và KRISS[7,8,9]. Mức độ rọi (lx) Độ nhạy độ rọi Sv (nA/lx) Sai lệch tuyệt đối Sv (nA/lx) VMI-PR-006 KRISS VMI-PR-006 / KRISS-1 100 24,46 24,47 0,0004 300 24,42 24,56 0,0057 500 24,52 24,62 0,0041 1000 24,51 24,74 0,0093 2000 24,71 24,92 0,0084 Từ bảng 3, dễ dàng nhận thấy, chênh lệch độ nhạy độ rọi trung bình tại các mức độ rọi ((VMI-PR-006/KRISS)-1) là: 0,0093 (nA/lx) ~ 0,93%. Với kết quả hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn (P11FOT-AG*; S/N: 12B236) trên hệ thống chuẩn VMI-PR-006 (VMI) và hệ thống chuẩn của (KRISS) [2], với chỉ số En đã được tính có giá trị En = 0,69 < 1. 4. KẾT LUẬN Chúng tôi đã nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi VMI- PR-006 sử dụng để tiến hành hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn. Kết quả khi sử dụng hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi VMI-PR-006 để tiến hành hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi của quang kế chuẩn (P11FOT-AG*) đạt được độ không đảm bảo đo mở rộng ước lượng khoảng U = 0,92%, k = 2. Chúng tôi đã tiến hành so sánh kết quả hiệu chuẩn thang độ nhạy độ rọi quang kế chuẩn (P11FOT- AG*; S/N: 12B236) trên hệ thống chuẩn VMI-PR-006 (VMI) và hệ thống chuẩn của (KRISS), với chỉ số En đã được tính có giá trị En = 0,69 < 1. Có thể kết luận rằng, hệ thống chuẩn VMI-PR-006 mà chúng tôi nghiên cứu xây dựng trên cơ sở phương pháp so sánh với quang kế chuẩn đã biết thang độ nhạy độ rọi (A/lx) có độ chính xác cao tương đương với hệ thống chuẩn thang độ nhạy độ rọi của các NMIs trong khu vực. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện Đo lường Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. CasimerDeCusatis, “Handbook of Applied photometry”, Spinger, 1998. [2]. KRISS, “Certificate of Calibartion for photometer head P11FOT-AG/SN: 12B236”, 2015. [3]. Yoshihiro Ohno, “NIST measurement services: Photometric calibrations”, NIST Special Publication 250-37, pp.13-14, 1997. Vật lý C. X. Quân, H. N. Dũng, , “Nghiên cứu, phát triển hệ thống Viện Đo lường Việt Nam.” 132 [4]. KRISS, “Illuminance Responsivity, Tungsten source, illuminance meter (CMC 1.2.1): Center for Temperature and Light”, Division of Physical Metrology, 2010. [5]. “Hướng dẫn đánh giá và trình bày độ không đảm bảo đo”, ĐLVN 131:2004. [6]. Luminous intensity calibration procedure: PR-CP-02. [7]. Cao Xuân Quân, “Độ nhạy độ rọi – Quy trình hiệu chuẩn”, V11.M-01.10 [8]. Cao Xuân Quân,“Phương tiện đo độ rọi-Quy trình hiệu chuẩn”, V11.M-03.10 [9]. “Phương tiện đo độ rọi - Quy trình kiểm định: ĐLVN 257:2014”, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, 2014. ABSTRACT REASEARCH AND DEVELOPMENT OF ILLUMINACE RESPONSIVITY SCALE STANDARD SYSTEM AT THE VIETNAM METROLOGY INSTITUTE In the field of Photometry and Radiometry in Vietnam, Metrology, the Illuminance responsivity standard system need to be developed. Nowadays, there are two methods to develop the Illuminance responsivity scale standard system. One of them uses a standard light source (Luminous intensity standard lamp) and the other is the method of comparison with a standard photometer head with Illuminance responsivity value. However, the methods developing Illuminance responsivity scale standard system with objective are small uncertainty. In this work, the Illuminance responsivity scale standard system (VMI-PR-006) using to calibrate illuminance responsivity of photometer based on the method of comparison with a used standard photometer head. Keywords: Photometry and Radiometry, Illuminance responsivity scale (A/lx), Standard photometer, ĐLVN 275 : 2014. Nhận bài ngày 12 tháng 10 năm 2016 Hoàn thiện ngày 16 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 Địa chỉ: Viện Đo lường Việt Nam; *Email: quancx@vmi.gov.vn.