pomiar strumienia świetlnego oraz sprawności oprawy oświetleniowej

POLITECHNIKA ŁÓDZKA
INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
Instrukcja do ćwiczenia O4
Temat ćwiczenia
POMIAR STRUMIENIA
ŚWIETLNEGO ORAZ
SPRAWNOŚCI OPRAWY
OŚWIETLENIOWEJ
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ
SPRAWNOŚCI OPRAWY OŚWIETLENIOWEJ
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z obiektywną metodą pomiaru
strumienia świetlnego za pomocą lumenomierza przestrzennego – nazywanego od
nazwiska wynalazcy „kulą Ulbrichta”. Ćwiczenie obejmuje pomiary strumienia
świetlnego rozmaitych źródeł światła a także sprawności oprawy oświetleniowej.
2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Schemat układu połączeń omawianego stanowiska laboratoryjnego przedstawiony
został na rys 1. Natomiast widok stanowiska pomiarowego przedstawiono na fot. 1.
WŻP
WOP
V
Żp
P2
Ż
P1
OF
Rb
L
A
Rs
Atr
G
230 V ~
Rys. 1. Schemat połączeń laboratoryjnego stanowiska pomiarowego do wyznaczania
strumienia świetlnego źródła światła
Objaśnienie oznaczeń z rys. 1.
Atr
autotransformator;
L
lumenomierz przestrzenny – kula Ulbricha;
OF
ogniwo fotoelektryczne;
P1, P2
przesłony eliminujące bezpośrednie padanie promieni na OF od badanego
źródła światła;
-1-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
rezystor dekadowy równoległy;
rezystor dekadowy szeregowy;
łącznik załączający obiekt badany (źródło światła lub oprawę
oświetleniową);
łącznik załączający żarówkę pomocniczą;
badane źródło światła lub oprawa oświetleniowa;
żarówka pomocnicza.
Rb
Rs
WOP
WŻP
Ż
Żp
L
Tablica zasilająca (nr 18)
Atr
G
Rs
Rb
WOP
WŻp
Fot. 1. Widok stanowiska pomiarowego do wyznaczania strumienia świetlnego
W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą następujące elementy:
Autotransformator, pozwalający na uzyskanie napięć wtórnych w zakresie
0...250 V;
Galwanometr (G) ze wskaźnikiem świetlnym służący do pomiaru bardzo
małych natężeń prądu;
Rezystory dekadowe Typu DR5a-16:
o
równoległy Rb o zakresach dekad
nr dekady
zakres
rezystancji
o
1
0÷10 x
0.1 Ω
2
0÷10 x
1Ω
3
0÷10 x
10 Ω
4
0÷10 x
100 Ω
5
0÷10 x
1 000 Ω
szeregowy Rs (2 szt. połączone ze sobą w szereg) o zakresach dekad
-2-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
nr dekady
zakres
rezystancji
1
0÷10 x
0.1 Ω
2
0÷10 x
1Ω
3
0÷10 x
10 Ω
4
0÷10 x
100 Ω
5
0÷10 x
1 000 Ω
Lumenomierz
Lumenomierz przestrzenny jest zamkniętą przestrzenią w formie kuli, pokrytą
wewnątrz białą farbą o nieselektywnym1) i możliwie dużym współczynniku odbicia.
Dzięki zastosowaniu odpowiedniej farby matowej odbicie jest rozproszone zgodnie
z prawem Lambarta2). Wewnątrz lumenomierza umieszcza się źródło światła Ż
którego strumień świetlny Φx ma być zmierzony. Każdy dowolny element wnętrza kuli
oświetlony będzie bezpośrednio źródłem Ż oraz światłem wielokrotnie odbitym od
poszczególnych elementów lumenomierza. Pierwszy składnik, pochodzący od
oświetlenia bezpośredniego źródłem Ż, w sposób istotny zależy od bryły
fotometrycznej3) źródła światła oraz od jego położenia w lumenomierzu. Składnik
drugi, pochodzący od oświetlenia światłem odbitym, nie zależy od bryły
fotometrycznej ani też od jego usytuowania w kuli Ulbricha. Zasłonięcie fotoogniwa
przesłoną
P1
przed
promieniowaniem
bezpośrednim
ze
źródła,
pozwala
wyeliminować bezpośrednie natężenie oświetlenia czyniąc tym samym pomiar
proporcjonalny do strumienia świetlnego badanego źródła światła.
Podczas pomiarów, pod wpływem działania światła, głowica pomiarowa OF wysyła
sygnał elektryczny, który doprowadzany jest do galwanometru. Z uwagi na,
powstające w miarę upływu czasu, zabrudzenia farby pokrywającej wnętrze
lumenomierza oraz zmiany czułości fotoogniwa, wskazań prądu nie skaluje się w
lumenach (wskazania galwanometru są w działkach).
Pomiaru strumienia świetlnego dokonuje się po przez porównanie wskazań przy
wzorcowym źródle światła, którego strumień jest znany i równy Φw, ze źródłem
badanym.
Prąd fotoelektryczny odpowiadający strumieniowi świetlnemu badanego źródła
jest równy IFx = kΦx, natomiast prąd fotoelektryczny odpowiadający strumieniowi
źródła wzorcowego IFw = kΦw. Jeśli oba te równania podzielimy stronami to
1)
Odbicie nieselektywne to takie w wyniku którego rozkład widmowy światła oświetlającego daną powierzchnię,
po odbiciu od niej nie ulegnie zmianie. Innymi słowy światło o określonej barwie oświetlające powierzchnie, po
odbiciu od nie będzie miało taką sama barwę.
2)
Odbicie rozproszone zgodnie z prawem Lamberta to odbicie idealnie rozproszone; rozpraszanie światła
odbywa się zgodnie z funkcją kosinus.
3)
Bryła fotometryczna to powierzchnia zamknięta, przedstawiająca (w układzie biegunowym) rozkład kątowy
światłości źródła światła lub oprawy oświetleniowej.
-3-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
otrzymamy zależność (2.1.), na podstawie której wyznaczymy strumień badanego
źródła:
Φx = Φw
I Fx
I Fw
(2.1.)
Za pomocą lumenomierza kulistego można także wyznaczyć sprawność oprawy
oświetleniowej, która jest miarą wykorzystania strumienia świetlnego wysyłanego
przez elektryczne źródło światła, a także strat poniesionych w celu uzyskania
właściwego rozkładu przestrzennego światła. Strumień świetlny wysyłany przez
samo źródło światła, w praktyce bardzo rzadko jest wykorzystywany do oświetlania
otaczającej przestrzeni. Urządzeniem pozwalającym na odpowiednie wykorzystanie
jego strumienia jest właśnie oprawa oświetleniowa. To właśnie dzięki nim można,
w zależności od potrzeb, zmienić rozkład kątowy światłości źródła światła
w wybranych strefach przestrzeni.
Sprawnością oprawy oświetleniowej nazywamy iloraz strumienia świetlnego
wysyłanego przez oprawę do strumienia wysyłanego przez źródło światła
współpracującego z tą oprawą.
η Opr =
Φ Opr
(2.2.)
ΦŻ
Schemat układu połączeń do pomiaru sprawności oprawy oświetleniowej
przedstawiono na rys. 2.
WŻP
Opr
WOP
V
Żp
P2
Ż
P1
OF
Rb
L
A
Rs
Atr
G
230 V ~
Rys. 2. Schemat połączeń laboratoryjnego stanowiska pomiarowego do wyznaczania
sprawności oprawy oświetleniowej
Opr – oprawa oświetleniowa (reszta oznaczeń identyczna jak na rys. 1.)
-4-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
Pomiaru sprawności oprawy oświetleniowej dokonuje się mierząc kolejno strumień
świetlny źródła światła bez oprawy oraz strumień świetlny wysyłany przez oprawę, po
zamocowaniu w niej źródła światła. Z uwagi na dysproporcję w wymiarach między
oprawą oświetleniową a źródłem światła (oprawa oświetleniowa pochłania więcej
strumienia świetlnego odbitego od wnętrza lumenomierza aniżeli samo źródło
światła), w celu skompensowania tej różnicy przeprowadza się dodatkowo dwa
pomiary z udziałem żarówki pomocniczej Żp. Pierwszy pomiar z udziałem Żp ()
przeprowadza się przy obecności w kuli (wyłączonego) źródła światła stosowanego
w badanej oprawie oświetleniowej, drugi zaś na umieszczeniu w lumenomierzu
(także wyłączonej spod napięcia) oprawy oświetleniowej.
3. Program ćwiczenia
1. Pomierzyć wartość strumienia świetlnego źródeł światła wskazanych przez
prowadzącego zajęcia.
2. Pomierzyć sprawność oprawy oświetleniowej wskazanej przez prowadzącego.
4. Przebieg ćwiczenia – sposób wykonania pomiarów
4.1. Pomiar strumienia świetlnego źródła światła
Kolejność czynności podczas pomiaru strumienia świetnego:
4.1.1.
Spisujemy dane otrzymanych źródeł światła (tab. 1.)
Tabela 1. Dane znamionowe źródeł światła
Parametry źródła wzorcowego
l.p. symbol/nr
Pw
Uw
Φw
wzorca
[V]
[W]
[lm]
1.
Parametry źródła badanego
rodzaj
Po
Uo
Φdek
źródła
[V]
[W]
[lm]
2.
3.
Φdek – strumień świetlny deklarowany przez producenta (zamieszczony na
opakowaniu źródła)
Uwaga:
W celu zredukowania liczby pomiarów, z uwagi na ograniczony czas trwania zajęć
dydaktycznych, dopuszcza się wyznaczenie strumienia świetlnego badanego źródła
światła na podstawie tylko jednego źródła odniesienia (wzorca).
-5-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
4.1.2.
Po otwarciu kuli Ulbrichta umieszczamy w jej wnętrzu źródło wzorcowe
udostępnione przez prowadzącego. Oprawkę ze źródłem mocujemy na
haku (H) a przewody zasilające przyłączamy do zacisków na tabliczce
(patrz fot. 2). W przypadku lamp żarowych (zwanych potocznie
żarówkami) najwygodniej jest wykorzystać zaciski oznaczone cyframi:
1, 2. Układy zasilania poszczególnych lamp zestawiono w załączniku 1.
4.1.3.
Załączamy napięcie na tablicy rozdzielczej (nr 18).
4.1.4.
Autotransformatorem (Atr) ustawiamy napięcie znamionowe źródła.
Uwaga: Regulując pokrętłem autotransformatora należy obserwować
wskazanie woltomierza aby nie przekroczyć napięcia znamionowego
źródła światła. Przekroczenie napięcia znamionowego spowoduje
uszkodzenie źródła!
4.1.5.
Łącznikiem WOP zamykamy obwód doprowadzając w ten sposób napięcie
do umieszczonego w kuli źródła światła.
4.1.6.
Jeśli źródło światła świeci się – zamykamy (w dwie osoby) kulę.
4.1.7.
Załączamy zasilanie galwanometru.
4.1.8.
Za pomocą oporników dekadowych (Rs, Rb) – po przez zmianę rezystancji
skalujemy układ w taki sposób aby galwanometr wskazywał wartość
maksymalną (w przypadku galwanometru, z którym współpracuje
stanowisko laboratoryjne, będzie to 70 działek).
4.1.9.
4.1.10.
Łącznikiem WOP otwieramy obwód zasilający wzorcowe źródło światła.
Otwieramy kulę i ostrożnie wyjmujemy wzorzec.
Uwaga: nie chwytać bezpośrednio za źródło, które jest gorące!
4.1.11.
Zamieszczamy we wnętrzu kuli badane źródło a przewody zasilające
przyłączamy do zacisków (tak jak w p. 4.1.2.)
4.1.12.
Jeśli napięcie znamionowe badanego źródła różni się od
znamionowego
źródła
odniesienia
–
to
należy
je
napięcia
ponownie
autotransformatorem (Atr) ustawić, pamiętając o uwadze w p. 4.1.4.
4.1.13.
Po zamknięciu łącznika WOP i sprawdzeniu czy źródło świeci zamykamy
kulę.
4.1.14.
Nie zmieniając ustawionych wcześniej (w p. 4.1.8.) wartości rezystancji
oporników dekadowych (Rs, Rb) – odczytujemy wskazanie galwanometru.
Wskazania mierników zapisać w tabeli (tab. 2).
-6-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
4.1.15.
W celu wyznaczenia strumienia świetlnego kolejnego źródła (wskazanego
przez prowadzącego) należy powtórzyć tok postępowania przedstawiony
w p. 4.1.2 – 4.1.14.
TZ
4
2
3
1
H
Fot. 2. Widok wnętrza kuli wraz z tabliczką zaciskową
Objaśnienie oznaczeń z fot. 2.
TZ
tabliczka z zaciskami;
1, 2, 3, 4 numery zacisków pod które podłączyć należy źródło światła lub oprawę
oświetleniową;
H
hak na którym zawieszamy źródło światła lub oprawę oświetleniową;
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń
Rodzaj badanego źródła
l.p.
światła
1.
2.
3.
U
[V]
I
[A]
Δx
[dz]
Δw
[dz]
Φx
[lm]
Strumień świetlny badanego źródła światła Φx można wyznaczyć z zależności (4.1.)
-7-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
Δx
(4.1.)
Δw
Φw – strumień świetlny źródła odniesienia (wzorca) [lm],
Δw – wskazanie galwanometru przy zamieszczonym i załączonym w kuli
źródle wzorcowym [dz],
Δx – wskazanie galwanometru przy zamieszczonym i załączonym w kuli
źródle badanym [dz].
Φx = Φw
w której:
4.2. Pomiar sprawności oprawy oświetleniowej
Kolejność czynności podczas pomiaru sprawności oprawy oświetleniowej:
4.2.1.
Po otwarciu kuli Ulbrichta umieszczamy w jej wnętrzu źródło światła
współpracujące z badaną oprawą oświetleniową udostępnioną przez
prowadzącego.
4.2.2.
Załączamy napięcie na tablicy rozdzielczej (nr 18).
4.2.3.
Autotransformatorem (Atr) ustawiamy napięcie znamionowe źródła.
Uwaga: Regulując pokrętłem autotransformatora należy obserwować
wskazanie woltomierza aby nie przekroczyć napięcia znamionowego
źródła światła.
4.2.4.
Załączamy zasilanie galwanometru.
4.2.5.
Łącznikiem WOP zamykamy obwód doprowadzając w ten sposób napięcie
do umieszczonego w kuli źródła światła.
4.2.6.
Jeśli źródło światła świeci się – zamykamy (w dwie osoby) kulę.
4.2.7.
Za pomocą oporników dekadowych (Rs, Rb) – po przez zmianę rezystancji
skalujemy układ w taki sposób aby galwanometr wskazywał wartość
maksymalną.
4.2.8.
Łącznikiem WOP otwieramy obwód zasilający źródło światła, natomiast
łącznikiem WŻP załączamy żarówkę pomocniczą i odczytujemy wskazanie
galwanometru.
4.2.9.
4.2.10.
Łącznikiem WOP otwieramy obwód zasilający źródło światła.
Otwieramy kulę i ostrożnie wyjmujemy źródło światła, przy załączonej
żarówce pomocniczej.
4.2.11.
Zamieszczamy we wnętrzu kuli badaną oprawę oświetleniową wraz z
zamocowanym w niej źródłem światła.
4.2.12.
Zamykamy kulę i odczytujemy wskazanie galwanometru.
-8-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
4.2.13.
Wyłączamy łącznikiem WOP załączamy oprawę oświetleniową natomiast
łącznikiem WŻP wyłączamy żarówkę pomocniczą i odczytujemy wskazanie
galwanometru.
Tabela 3. Wyniki z pomiarów
l.p.
Lumenomierz
Zasilanie
układu,
pozycja WŻP
Wyłącznik WŻP
zamknięty
(Ż świeci)
Wyłącznik WŻP
otwarty
(Ż nie świeci)
Pomiar 1 Źródło światła z
badanej
oprawy
oświetleniowej
Pomiar 2 Źródło światła z
badanej
oprawy
oświetleniowej
Pomiar 3 Badana
oprawa
Wyłącznik WŻP
oświetleniowa wraz
otwarty
z zamocowanym w
(Opr nie świeci)
niej źródłem
Pomiar 4 Badana
oprawa
Wyłącznik WŻP
oświetleniowa wraz
zamknięty
z zamocowanym w
(Opr świeci)
niej źródłem
Żarówka
pomocnicza,
pozycja WOP
WOP
otwarty
(ŻP nie świeci)
WOP
zamknięty
(ŻP świeci)
Wskazanie
galwanometru
G
Δ1 =
WOP
zamknięty
(ŻP świeci)
Δ3 =
WOP
otwarty
(ŻP nie świeci)
Δ4 =
Δ2 =
Sprawność badanej oprawy oświetleniowej ηOpr można wyznaczyć z zależności (4.2.)
Δ Δ
ηOpr = 4 ⋅ 2
(4.2.)
Δ1 Δ 3
5. Opracowanie sprawozdania
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
o
układ pomiarowy,
o
tabele z wynikami pomiarów i obliczeń,
o uwagi i wnioski.
-9-
Ćwiczenie O4
POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAW OŚWIETLENIOWYCH
Załącznik 1.
♦ Schemat połączeń żarówki, lampy rtęciowo-żarowej, zintegrowanej świetlówki
kompaktowej
♦ Schemat połączeń pojedynczej świetlówki
Z
Dł
2
x
1
LF
4
3
C
Dł – dławik (nazywany także statecznikiem)
Z - zapłonnik
♦ Schemat połączeń wysokoprężnej lampy rtęciowej
Dł
•x
C
LR
♦ Schemat połączeń wysokoprężnej lampy sodowej
układ równoległy
układ szeregowy
Dł
C
Dł
UZ
x •• WLS
UZ – układ zapłonowy
-1-
C
UZ
x •• WLS