POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO I WYZNACZAN

60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
STUDIA NIESTACJONARNE
ELEKTROTECHNIKA
Laboratorium PODSTAW TECHNIKI ŚWIETLNEJ
Temat: POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO I WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK
NAPIĘCIOWYCH śARÓWEK
Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury:
1). Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 1792. Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994.
2). Bąk J., Pabiańczyk W.: Podstawy techniki świetlnej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1994.
1. STRUMIEŃ ŚWIETLNY
Strumień świetlny (Φ; jednostka: lumen [lm]) to wielkość wyprowadzona ze strumienia energetycznego
A
przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE .
Strumień energetyczny (strumień promienisty; Φe, P; jednostka: wat [W]) to moc wysyłana, przenoszona
lub przyjmowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
Obserwator fotometryczny CIE normalny to idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości
widmowej jest zgodna z funkcją V(λ
λ) dla widzenia fotopowego (dziennego) lub funkcją V’(λ
λ) dla widzenia
skotopowego (nocnego).
Względna widmowa skuteczność świetlna V(λ
λ) odpowiada przyjętej przez CIE względnej widmowej
skuteczności świetlnej przeciętnego oka ludzkiego.
1.0
0.8
V(λ )
V'(λ )
0.6
0.4
0.2
0.0
380
480
507
580
680
780
λ [nm]
555
Rys. 1. Względna widmowa skuteczność świetlna.
Strumień świetlny moŜe być obliczony z następującej zaleŜności:
Φ = Km ⋅
780nm
∫ dΦ e ( λ ) ⋅ V ( λ ) ⋅ dλ
(1)
380nm
gdzie:
380nm ÷ 780nm
Km
dΦ e (λ ) [W]
A
- zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego
- największa wartość skuteczności świetlnej, Km=683 [lm/W]
- rozkład widmowy strumienia energetycznego, moc promienista widmowa z zakresu
długości fali pomiędzy λ a λ + dλ
CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa
1
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
2. POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO W LUMENOMIERZU
Pomiar strumienia świetlnego przez porównanie z wzorcem strumienia wykonuje się za pomocą
lumenomierza. Najczęściej uŜywa się lumenomierzy kulistych (rys. 2). Kula fotometryczna lumenomierza jest
światłoszczelnie zamkniętą przestrzenią, pokryta wewnątrz białą rozpraszającą farbą o nieselektywnym i
B
moŜliwie duŜym współczynniku odbicia ρ .
Rys. 2. Lumenomierz kulisty (tzw. kula Ulbrichta), schemat ideowy lumenomierza kulistego: Zw – wzorcowe źródło światła, Zx – badane
źródło światła, P – przesłona, A – okno pomiarowe, I γc - światłość źródła światła w kierunku γ,C.
C
Źródło światła o bryle fotometrycznej I γc umieszczone w środku lumenomierza o promieniu R (rys. 2) w
odległości a wytwarza na elemencie powierzchni dS natęŜenie oświetlenia E1:
E1 =
I γc
a2
⋅ cos θ
(2)
Suma po powierzchni kuli tych natęŜeń oświetlenia jest strumieniem całoprzestrzennym Φ 0 źródła światła.
Padający na powierzchnię kuli strumień Φ 0 zostaje w ilości α ⋅ Φ 0 pochłonięty i w ilości ρ ⋅ Φ 0 odbity.
Strumień odbity, przy załoŜeniu odbicia lambertowskiego (idealnie rozproszonego), pada równomiernie na
D
całą powierzchnię kuli i ponownie zostaje odbity w ilości ρ 2 ⋅ Φ 0 . Wskutek wielokrotnie występujących odbić
cały odbity strumień Φ ρ ma wartość:
Φ ρ = ρ ⋅ Φ 0 + ρ 2 ⋅ Φ 0 + ρ 3 ⋅ Φ 0 + ... = Φ 0 ⋅
ρ
1− ρ
(3)
NatęŜenie oświetlenia E2 wytworzone przez strumień odbity Φ ρ obliczane jest z zaleŜności:
E2 =
Φ0
ρ
⋅
4 ⋅ π ⋅ R 1− ρ
(4)
Sumaryczne natęŜenie oświetlenia E na poszczególnych elementach powierzchni kuli jest sumą składowej
bezpośredniej E1 i odbitej E2:
E=
I γc
a
2
⋅ cos θ +
Φ0
ρ
⋅
4 ⋅ π ⋅ R 1− ρ
(5)
ρ - współczynnik odbicia strumienia świetlnego to stosunek strumienia świetlnego odbitego do strumienia świetlnego
padającego na daną powierzchnię.
C
I γc - światłość kierunkowa wyraŜona w kandelach [cd] to stosunek strumienia dΦ rozchodzącego się w elementarnym
B
kącie bryłowym dω do wartości tego kąta, charakteryzuje sposób rozchodzenia się strumienia źródła światła w
przestrzeni.
D
α – współczynnik pochłaniania strumienia świetlnego.
2
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
JeŜeli w lumenomierzu przed oknem pomiarowym A wstawić przesłonę P, to dla elementu A powierzchni kuli
eliminuje się składową bezpośrednią E1, zaleŜną od kształtu bryły fotometrycznej źródła światła oraz od jej
połoŜenia w kuli. Wtedy natęŜenie oświetlenia EA w oknie pomiarowym A będzie równe składowej odbitej E2,
której wartość jest proporcjonalna do strumienia Φ 0 źródła światła:
EA = k ⋅ Φ0
(6)
JeŜeli zawiesi się w tym samym miejscu w lumenomierzu kolejno źródło mierzone ZX o strumieniu Φ 0 X i
wzorcowe ZW o strumieniu Φ 0 W , to ze stosunku natęŜeń oświetlenia EX i EW na oknie pomiarowym A
otrzymuje się:
Φ 0X = Φ 0W ⋅
EX
EW
(7)
Bezwzględne wartości natęŜenia oświetlenia EX i EW nie muszą być znane, wystarczy znać tylko ich
stosunek. Przy pomiarach strumienia świetlnego w okienku pomiarowym umieszcza się przetwornik
fotoelektryczny. NatęŜenie prądu tego przetwornika jest proporcjonalne do natęŜenia oświetlenia, a zatem
stosunek natęŜeń oświetlenia EX / EW moŜna zastąpić stosunkiem wskazań miernika natęŜenia prądu
fotoelektrycznego ∆X / ∆W . Ostatecznie szukana wartość strumienia badanego źródła światła Φ 0 X
wyznaczana jest z następującej zaleŜności:
Φ 0X = Φ 0W ⋅
∆X
∆W
(8)
JeŜeli źródło mierzone ZX i źródło wzorcowe ZW wraz ze stosowanym osprzętem (oprawki, mocowania)
znacznie róŜnią się pomiędzy sobą gabarytami i własnościami fotometrycznymi uŜytych materiałów to
oznacza, Ŝe w róŜnym stopniu wpływają na rozchodzenie się strumienia wewnątrz lumenomierza. Wpływ
źródeł światła i ich zamocowania na wynik pomiaru w znacznym stopniu eliminuje się przez wprowadzenie
dodatkowych pomiarów ze źródłem pomocniczym. PoniewaŜ w niniejszym ćwiczeniu Ŝarówka badana jak i
Ŝarówka wzorcowa są do siebie bardzo podobne i w porównywalny sposób wpływają na rozchodzenie się
strumienia wewnątrz lumenomierza to pomiar z Ŝarówką pomocniczą nie będzie wykonywany.
3. śARÓWKI – WIADOMOŚCI OGÓLNE
Elementem Ŝarówki, w którym następuje przemiana energii elektrycznej w energie świetlną jest Ŝarnik,
rozgrzewany do stanu Ŝarzenia poprzez przepływ prądu elektrycznego. Budowę typowej Ŝarówki (tzw.
Ŝarówki do ogólnych celów oświetleniowych) pokazano na rys. 3.
Rys. 3. Budowa typowej Ŝarówki.
śarniki współczesnych Ŝarówek, wykonane są z wolframu w postaci jednoskrętek lub dwuskrętek i
umieszczone w bańkach szklanych. Wykorzystanie wolframu na materiał Ŝarnika wynika z jego wysokiej
0
temperatury topnienia (około 3350 C), małej prędkości parowania w wysokich temperaturach oraz
korzystnego rozkładu widmowego egzytancji energetycznej.
Przykładowy rozkład widmowy Ŝarówki przedstawiony jest na rys. 4..
3
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Rys. 4. Rozkład widmowy Ŝarówki.
Głównym problemem technicznym związanym z pracą Ŝarówek jest parowanie wolframu, powodujące w
konsekwencji przepalenie się Ŝarnika. Z tych względów Ŝarniki Ŝarówek umieszcza się w próŜni (Ŝarówki
próŜniowe) lub w atmosferze gazu obojętnego (Ŝarówki gazowane).
W Ŝarówkach próŜniowych temperatury robocze Ŝarników nie przekraczają 2500 K, gdyŜ w wyŜszych
temperaturach wolfram zaczyna intensywnie parować, osadzając się na bańkach w postaci ciemnego nalotu.
W Ŝarówkach gazowanych stosuje się wyŜsze temperatury robocze Ŝarników (2600 K - 2700 K), bowiem
obecność gazu znacznie ogranicza intensywność parowania wolframu. śarówki gazowane mają większą
E
skuteczność świetlną η i barwę światła bardziej zbliŜoną do białej niŜ Ŝarówki próŜniowe. Zazwyczaj
Ŝarówki o mocy 40W i większej są wykonywane jako gazowane.
Jako wypełnienie baniek Ŝarówek stosuje się azot, argon, krypton i ksenon. Stosowanie gazów o większym
cięŜarze atomowym (krypton, ksenon) poprawia skuteczność świetlną i trwałość Ŝarówek. Ze względu na
koszty powszechnie stosuje się jednak mieszaninę techniczną azotu i argonu.
śarówki są bardzo wraŜliwe na zmiany napięcia zasilania (rys. 5).
Rys. 5. Zmiany podstawowych parametrów Ŝarówki w zaleŜności od napięcia zasilania.
Dla niewielkich zmian napięcia U (w zakresie +/- 10%) odniesionych do znamionowego napięcia
zasilającego Un moŜna zmiany podstawowych parametrów przedstawić za pomocą tzw. wykładników
potęgowych n H (tab. 1). Przy niewielkich zmianach napięcia zasilającego U zmiany parametrów lamp H
mają charakter wykładniczy i mogą być opisane następującą zaleŜnością:
 U
H
=
Hn  Un



nH
(9)
η [lm/W]– skuteczność świetlna np. Ŝarówki to stosunek strumienia świetlnego wypromieniowanego przez Ŝarówkę do
pobieranej mocy.
E
4
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Tabela 1. Przykładowe wartości wykładników potęgowych charakteryzujących zmiany podstawowych parametrów Ŝarówek w zaleŜności
od zmian napięcia zasilającego w zakresie +/- 10% w stosunku do napięcia znamionowego Un.
Lp
Parametr
Symbol
Wykładnik potęgowy
1
Trwałość
τ
τ  U 

=
τn  Un 
2
Strumień świetlny
Φ
Φ  U 

=
Φ n  Un 
−13
3,6
1,6
3
Moc
P
P  U 

=
Pn  Un 
4
Skuteczność świetlna
η
η  U 

=
ηn  Un 
1,9
4. POMIARY
W zakresie zmian napięcia zasilającego od 0 do 110% napięcia znamionowego pomierzyć następujące
parametry Ŝarówki badanej (rys. 6):
-
Strumień świetlny Φ 0 X ,
-
NatęŜenie prądu I.
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego, A – amperomierz, V – woltomierz, Zw – Ŝarówka wzorcowa, Zx – Ŝarówka badana,
PF – przetwornik fotoelektryczny, Jf – prąd fotoelektryczny, J/U – konwerter prąd-napięcie, Vc – woltomierz cyfrowy.
Woltomierz mierzący napięcie na lampie przyłączyć do zacisków napięciowych (U) wyprowadzonych na tablicy
lumenomierza. Napięcie zasilające doprowadzić do zacisków prądowych (J). śarówkę badaną i wzorcową
przyłączyć do zacisków prądowych (J) i napięciowych (U) znajdujących się wewnątrz lumenomierza.
Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć wartości mocy P, skuteczności świetlnej η i rezystancji Ŝarnika R.
Wykonać pomiar ze wzorcem o znanej wartości strumienia świetlnego Φ 0 W . Pomiar naleŜy wykonać
trzykrotnie. Zanotować wskazania miernika natęŜenia prądu fotoelektrycznego ∆W. Obliczyć średnią
arytmetyczną.
Wykreślić względne charakterystyki napięciowe: na osi X nanieść względne zmiany napięcia
zasilającego (U/Un), na osi Y nanieść względne zmiany parametrów Ŝarówki (np. P/Pn, przy czym Pn jest
wartością mocy Ŝarówki, która została zmierzona przy znamionowym napięciu zasilającym Un).
W zakresie zmian napięcia zasilającego od 0.9Un do 1.1Un obliczyć wykładniki potęgowe n H dla zmian
strumienia świetlnego Φ 0 X , natęŜenia prądu I, mocy P, skuteczności świetlnej η i rezystancji Ŝarnika R.
5
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa:
Dzień:
Godzina:
Pomiar strumienia świetlnego.
WYNIKI
POMIARÓW
Typ badanej lampy
-
U
I
P
∆X
Φ ( Φ 0X )
η
[V]
[A]
[W]
[-]
[ lm ]
[ lm/W ]
Typ Ŝarówki wzorcowej:
Napięcie fotometrowania Ufot [V]:
Strumień świetlny Φ 0 W [lm]:
Wskazanie miernika natęŜenia
prądu fotoelektrycznego ∆W [-],
dla Ŝarówki wzorcowej (wykonać 1.
trzy pomiary, obliczyć średnią
arytmetyczną):
2.
6
3.
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa:
Dzień:
Godzina:
Pomiar względnych zmian strumienia świetlnego w czasie rozruchu lampy.
WYNIKI
∆' =
POMIARÓW
∆
∆ ust.
, gdzie: ∆ ust. wartość ustalona zmierzona po czasie t.
Typ
badanej
lampy
t
∆
∆’
∆
∆’
∆
∆’
[s]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
7
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa:
Dzień:
Godzina:
Pomiar strumienia świetlnego i wyznaczanie charakterystyk napięciowych Ŝarówek.
WYNIKI
POMIARÓW
Typ Ŝarówki badanej:
Lp
U
∆X
I
Φ ( Φ 0X )
P
R
η
-
[V]
[-]
[A]
[ lm ]
[W]
[Ω]
[ lm/W ]
1
253
2
242
3
230
4
218
5
207
6
190
7
170
8
150
9
130
10
110
11
90
12
70
13
50
14
30
15
10
Typ Ŝarówki wzorcowej:
Napięcie fotometrowania Ufot [V]:
Strumień świetlny Φ 0 W [lm]:
Wskazanie miernika nat. prądu fotoelektr. ∆W [-]:
1.
Zakres pomiarowy miernika natęŜenia prądu fotoelektrycznego:
8
2.
3.
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. (0-61) 6652688
fax (0-61) 6652389
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Pomiar strumienia świetlnego i wyznaczanie charakterystyk napięciowych
Ŝarówek.
CHARAKTERYSTYKI NAPIECIOWE - OBLICZENIA
Typ Ŝarówki badanej:
Lp
U
U/Un
I/In
Φ/Φ
Φn
P/Pn
R/Rn
η/η
ηn
-
[V]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
1
253
1.10
2
242
1.05
3
230
1
1
1
1
1
1
4
218
0.95
5
207
0.90
6
190
0.83
7
170
0.74
8
150
0.65
9
130
0.57
10
110
0.48
11
90
0.39
12
70
0.30
13
50
0.22
14
30
0.13
15
10
0.04
Wykładniki
Strumień
nΦ
Moc
nP
NatęŜenie prądu
nI
Skuteczność świetlna
nη
Rezystancja Ŝarnika
nR
9
potęgowe