Temat ćwiczenia. Pomiary oświetlenia

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA W YDZIAŁ TRANSPORTU Temat ćwiczenia Pomiary oświetlenia

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru natęŝenia oświetlenia oraz wyznaczania poŝądanej wartości natęŝenia oświetlenia na stanowiskach pracy. Wiadomości wstępne Ogólnie przyjmuje się, Ŝe system widzenia funkcjonuje sprawniej przy wyŝszych wartościach natęŝenia oświetlenia. Dlatego w celu zmniejszenia liczby popełnianych błędów i skrócenia czasu potrzebnego na wykonanie danej czynności wskazane jest przyjmowanie wartości natęŝenia wyŝszych niŝ minimalne zalecane przez normy. W literaturze najczęściej podaje się, Ŝe wybór natęŝenia oświetlenia zaleŝy od: wielkości pozornej szczegółu zadania wzrokowego, stopnia trudności pracy wzrokowej. O stopniu trudności pracy wzrokowej decydują dwa parametry: - współczynnik odbicia szczegółu pracy wzrokowej - kontrast szczegółu z jego tłem Przyjmuje się, Ŝe im mniejszy współczynnik odbicia (szczegół ciemniejszy) oraz im mniejszy kontrast szczegółu z jego tłem, tym większy jest stopień trudności pracy wzrokowej (tabela 1) Tabela 1. Stopnie trudności pracy wzrokowej Współczynnik odbicia Kontrast powierzchni przedmiotu duŝy średni mały pracy wzrokowej Stopień trudności pracy wzrokowej DuŜy ( powyŝej 0,45 ) 1 ( mały ) 1 ( mały ) Średni ( 0, 0,45 ) Mały ( mniejszy od 0, ) 3 ( duŝy ) 3 ( duŝy ) Wielkość pozorną szczegółu określa wzór:

3 L w = 10 d gdzie: L- odległość szczegółu od oczu (w metrach) w- wielkość pozorna szczegółu d- najmniejszy wymiar szczegółu (w milimetrach) Im większa wielkość pozorna szczegółu pracy wzrokowej tym wymagany poziom natęŝenia oświetlenia jest większy (tabela ) 3 Tabela. Najmniejsze dopuszczalne wartości średniego natęŝenia oświetlenia a wielkość pozorna szczegółu pracy wzrokowej. Wielkość pozorna szczegółu pracy wzrokowej Średnie natęŝenia oświetlenia [ 1x ] duŝa średnia dość mała mała bardzo mała krańcowo mała 000 Przetworniki fotoelektryczne Przetworniki fotoelektryczne dzielą się na: - generatorowe - parametryczne Zjawisko powstawania pod wpływem strumienia światła siły elektromotorycznej w elementach półprzewodnikowych wykorzystywane jest w przetwornikach generatorowych.

4 Dzielą się generatorowe na: - fotoogniwa - fotodiody Ogniwa fotoelektryczne stosowane w miernictwie, budowane są ze związków metali takich jak: selen, krzem, german. Zasada działania fotoogniwa jest następująca: materiał czynny przetwornika (np. selen) pokryty jest od strony padania strumienia świetlnego cienką warstwą złota (platyny). Pod wpływem naświetlania selenu przez cienką warstwę złota elektrony przechodzą z warstwy zaporowej do warstwy złota, wskutek czego w warstwie tej powstaje ujemny potencjał, a w warstwie selenu potencjał dodatni. Wytworzona w ten sposób róŝnica potencjałów jest ściśle powiązana z natęŝenia oświetlenia padającego na powierzchnię czynną przetwornika. W fotodiodach wykorzystuje się złącze p-n, w którym pod wpływem oświetlenia występuje zjawisko fotowoltaiczne, co umoŝliwia zastosowanie fotodiody jako fotoogniwa (wadą fotodiody jest niska czułość) Przetworniki parametryczne stosowane w pomiarach natęŝenia oświetlenia to - fotorezystory - fototranzystory W fotorezystorach wykorzystuje się zjawisko wewnętrznej emisji elektronów w półprzewodniku wystawionym na działanie oświetlenia. Zjawisko to powoduje spadek rezystancji elementu naświetlanego. Poprzez pomiar zmieniającej się wartości rezystancji moŝna określić zmiany natęŝenia oświetlenia. Wadą tego typu przetworników jest ich duŝa czułość temperaturowa. Fototranzystor jest układem, w którym poprzez oświetlanie złącza kolektor-baza i wywoływanie w tym złączu zjawiska fotowoltaicznego, moŝemy zamierzyć chwilową wartość natęŝenia oświetlenia poprzez pomiar napięcia na emiterze. Program ćwiczenia Przeprowadzić pomiary natęŝenia oświetlenia w punktach podanych przez prowadzącego.

5 Wytyczne dotyczące sprawozdania - narysować plan sytuacyjny z zaznaczeniem źródeł światła i punktami pomiarowymi - określić jaki rodzaj pracy moŝe być wykonywany w badanych punktach pomiarowych - przedstawić graficznie rozkład natęŝenia oświetlenia na blacie pomiarowym Informacje dodatkowe Promieniowanie optyczne: promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal połoŝonych między obszarem przejścia do fal rentgenowskich a obszarem przejścia do fal radiowych. Promieniowanie widzialne (światło): promieniowanie optyczne zdolne do bezpośredniego wywoływania wraŝeń wzrokowych. Inaczej mówiąc, światłem nazywamy tę część promieniowania optycznego, która jest odbierana i oceniana (przez dowolny układ) w sposób identyczny jak przez oko ludzkie. Zakres widmowy promieniowania widzialnego nie jest jednoznacznie określony i zaleŝy od wartości energetycznej strumienia docierającego do oka oraz od indywidualnej czułości obserwatora. Ogólnie przyjmuje się dolną granicę przedziału pomiędzy 360 i 400 nm, a górną pomiędzy 760 i 830 nm. Strumień energetyczny (strumień promienisty) Φ e : moc wysyłana, przenoszona lub przyjmowana w postaci promieniowania. Jednostka: W (wat). Strumień świetlny Φ: - wielkość wyprowadzana ze strumienia energetycznego przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE (określenie obserwatora normalnego dalej w tekście). Jednostka: lm (lumen). W warunkach widzenia fotopowego gdzie e ( λ) dλ Φ = K m ) 0 e( λ) V ( λ dλ dλ jest rozkładem widmowym strumienia energetycznego, V(λ) skutecznością świetlną widmową względną, a K m maksymalną skutecznością świetlną. K m =683 lm W -1 dla λ m=555nm przy widzeniu fotopowym, K' m =1700 lm W -1 dla λ ' m =507nm przy widzeniu skotopowym.

6 Światłość (gęstość kątowa strumienia świetlnego) I: stosunek strumienia świetlnego d Φ, wysyłanego przez źródło promieniowania w elementarnym kącie przestrzennym dω, obejmującym dany kierunek, do wartości tego elementarnego kąta przestrzennego: I =. d Ω Jednostka: cd (kandela). Luminancja L: iloraz strumienia świetlnego przenikającego w danym kierunku daną powierzchnię i iloczynu rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania i objętego promieniowaniem kąta bryłowego: gdzie: d Φ L = da cosθ dω Φ - strumień świetlny przenoszony przez wiązkę promieniowania, A - powierzchnia przekroju wiązki promieniowania, Θ - kąt zawarty między normalną do powierzchni A a kierunkiem rozchodzenia się wiązki promieniowania. Ω - kąt przestrzenny obejmujący wiązkę promieniowania. JeŜeli powierzchnia da jest źródłem promieniowania o światłości I, wówczas wzorem równowaŝnym jest: di L = da cosθ JeŜeli na powierzchnię da pada wiązka światła wywołując na niej natęŝenie oświetlenia E, wówczas wzorem równowaŝnym jest: Jednostka: cd m (kandela na metr kwadratowy). de L = d Ω cosθ NatęŜenie oświetlenia (gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego) E: stosunek strumienia świetlnego, padającego na elementarną powierzchnię da, do wartości tej elementarnej powierzchni: Jednostka: lx (luks). E = da = Πsr L cosθ dω. Obserwator fotometryczny normalny CIE: idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości widmowej jest zgodna z funkcją V(λ) w warunkach widzenia fotopowego (dziennego - przy którym postrzegane są wraŝenia barwne) i funkcją V (λ) w warunkach widzenia skotopowego (zmierzchowego).

7 Przyjmuje się, Ŝe światło odbierane jest przez oko tylko poprzez aparat widzenia dziennego przy poziomach luminancji wyŝszych od kilku cd/m natomiast z widzeniem skotopowym mamy do czynienia przy poziomach luminancji mniejszych od kilku setnych cd/m. Pomiędzy czystym widzeniem fotopowym a skotopowym rozróŝnia się zakres widzenia mezopowego (mieszanego), który nie ma zastosowania metrologicznego. 1,0 0,9 0,8 V V' 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0, λ [nm] Rozkłady widmowe względnych skuteczności: fotopowej V(λ) i skotopowej V (λ). Fizjologia oka. Pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do natęŝenia oświetlenia E na jej powierzchni. NatęŜenie to moŝna przedstawić (przy pominięciu róŝnych strat) jako: E=L Ω gdzie: L luminancja obserwowanego przedmiotu, Ω kąt bryłowy zaleŝny od średnicy źrenicy oka i odległości między soczewką a siatkówką. Z powyŝszego wynika, Ŝe pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do luminancji powierzchni świecącej. Luminancja jest więc właściwą miarą wraŝenia jaskrawości. W przypadku stanowisk pracy z powierzchniami emitującymi strumień świetlny, np. stanowiska komputerowe, jedynie miernikiem luminancji moŝna właściwie określić warunki świetlne w jakich znajduje się człowiek.