Wpływ warunków otoczenia na parametry świetlne reflektorów samochodowych

Transkrypt

1 DELĄG Mariusz 1 RÓŻOWICZ Sebastian 2 Wpływ warunków otoczenia na parametry świetlne reflektorów samochodowych WSTĘP Istotny wpływ na bezpieczeństwo podróżowania pojazdem samochodowym ma jakość oświetlenia drogi światłami reflektorów. Można to zagadnienie rozpatrywać w dwóch aspektach: eksploatacyjnym oraz konstrukcyjnym. Przez aspekt eksploatacyjny należy rozumieć właściwy i zgodny z procedurami sposób eksploatacyjnego ustawiania reflektorów. Ten aspekt jest dosyć dokładnie uregulowany prawnie oraz znajduje wiele odniesień w dostępnej literaturze [1, 4, 3]. W aspekcie konstrukcyjnym należy patrzeć na reflektor samochodowy jako na zespół: źródło światła wraz z reflektorem. Na jakość generowanego światła mają więc wpływ dwa elementy: jakość zastosowanego źródła oraz jakość użytego reflektora. Pomimo stosowania coraz bardziej zaawansowanych konstrukcji reflektorów, wpływ warunków otoczenia na jakość generowanego światła jest nadal istotny. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie wpływu warunków otoczenia na parametry świetlne reflektora. 1. BADANIA WPŁYWU WARUNKÓW OTOCZENIA NA JAKOŚĆ ŚWIATŁA GENEROWANEGO PRZEZ REFLEKTOR SAMOCHODOWY Sposób przeprowadzenia badań. W badaniach użyto reflektora użytego w pojeździe Opel Vectra, rocznik Fabrycznie reflektor został dostosowany do pracy z żarówką typu H7. W prowadzonych badaniach użyto źródeł H4 oraz H7 o mocy 55W. Użycie żarówki H4 wymagało dopasowania gniazda żarówki w reflektorze. Rys. 1. Badany reflektor, Opel Vectra C, rocznik Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , m.delag@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , s.rozowicz@tu.kielce.pl 1278

2 Rys. 2. Żarówka H4 (a) oraz żarówka H7 (b). Pomiarów strumienia świetlnego oraz widma promieniowania w temperaturze +25 st. C dokonano instalując źródła oraz reflektor ze źródłami w kuli całkującej. Przeprowadzenie pomiarów dla zmian temperatury otoczenia w zakresie od -30 st. C do +40 st. C było możliwe z użyciem komory klimatycznej Espec. Do pomiarów wartości świetlnych użyto luksomierza oraz spektroradiometru Konica Minolta CS Rys. 3. a) Pomiary parametrów świetlnych w kuli całkującej, b) pomiary parametrów świetlnych w komorze klimatycznej Sprawność badanego reflektora Pomiaru sprawności świetlnej reflektora dokonano w temperaturze otoczenia +25 st. C w kuli całkującej, porównując całkowity strumień świetlny emitowany przez samą żarówkę H7 ze strumieniem świetlnym całego reflektora wraz żarówką H7. Dla badanego reflektora uzyskano sprawność 44,9%. Niska wartość współczynnika sprawności może wynikać z częściowego zużycia reflektora w tracie kilkuletniej eksploatacji. Reflektor nie posiadał zarysowań ani zmatownień widocznych gołym okiem. Aby umożliwić dalsze badanie parametrów świetlnych reflektora przy zmianie temperatury otoczenia niezbędna okazała się ocena wpływu temperatury otoczenia na temperaturę wewnątrz reflektora. W tym celu dokonywano pomiarów w komorze klimatycznej dla zmian temperatury otoczenia w zakresie od -30 st. C do +40 st. C. Zakres zmian dobrano tak, aby odpowiadał typowym zmianom temperatur otoczenia w rzeczywistym środowisku. Mierzono temperaturę otoczenia reflektora oraz w tym samym czasie temperaturę wewnątrz reflektora w czasie normalnej pracy reflektora (źródło światła zapalone). Pozwoliło to wyznaczyć charakterystykę zależności temperatury wewnątrz reflektora od temperatury otoczenia w zależności od użytego źródła światła. 1279

3 Rys. 4. Wykres wartości temperatury wnętrza reflektora dla różnych wartości temperatury otoczenia dla zastosowanych źródeł H4 oraz H7. Zależność temperatury we wnętrzu reflektora od temperatury otoczenia jest niemal liniowa. Wykres położony jest wyżej dla żarówki H4 gdyż przy tej samej pobieranej mocy emituje ona mniej światła (niższy strumień świetlny) niż żarówka H7. Oznacza to, że w przypadku żarówki H4 mniej mocy konwertowane jest na promieniowanie widzialne, a więcej na ciepło. Ukazana na rysunku zależność temperatury wnętrza reflektora od temperatury otoczenia spowodowała konieczność dalszych pomiarów temperatury w bezpośrednim otoczeniu żarówki. Rozumieć należy przez to pomiar w odległości 3cm od zapalonej żarówki. Należy zwrócić uwagę, że w dalszej części artykułu autorzy posługują się terminami: temperatura otoczenia oraz temperatura w bezpośrednim otoczeniu żarówki Widmo badanych żarówek Do pomiarów wartości świetlnych użyto źródeł H4 oraz H7. Są to lampy halogenowe. Lampa halogenowa to żarówka z żarnikiem wolframowym, wypełniona gazem szlachetnym z niewielką ilością halogenu (np. jodu), który regeneruje żarnik, zapobiegając tym samym ciemnieniu bańki szklanej w czasie eksploatacji [2, 5]. Lampa halogenowa jest elektrycznym temperaturowym źródłem światła, gdzie wysyłanie promieniowania następuje w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek. Źródła temperaturowe charakteryzują się ciągłym widmem promieniowania elektromagnetycznego. Zalety lamp halogenowych skutkują tym, iż są one często stosowane jako źródła światła w reflektorach samochodowych. Za pomocą spektroradiometru dokonano pomiarów widma promieniowania żarówek H4 oraz H4. Typowe wykresy widma promieniowania w zakresie promieniowania widzialnego badanych żarówek przedstawiono na poniższych rysunkach. Rys. 5. Widmo promieniowania elektromagnetycznego dla żarówki H4 (a) oraz H7 (b) dla temperatury otoczenia +25 st. C. 1280

4 Jak widać na powyższych rysunkach widma badanych żarówek mają podobny rozkład. Bezpośrednie porównanie widm pokazuje, iż rozkład widm różni się w niewielkim zakresie, co zostało ukazane na poniższym rysunku 6. Należy jednak zauważyć, że nawet małe rozbieżności objawiają się inną temperaturą barwową źródeł. Rys. 6. Porównanie rozkładu widma promieniowania elektromagnetycznego żarówek H4 oraz H7. Przedstawiony na rysunku 6 rozkład widma promieniowania pozwala przypuszczać, iż żarówka H7 ma wyższą temperaturę barwową niż żarówka H4. Jest to zgodne z deklaracjami producentów żarówek. Pomiary temperatury barwowej przedstawiono w dalszej części artykułu Strumień świetlny W pierwszym kroku dokonano pomiarów strumienia świetlnego badanych żarówek H4 oraz H7 w temperaturze otoczenia +25 st. C w kuli całkującej. Celem tego było sprawdzenie rzeczywistej wartości strumienia świetlnego z wartościami deklarowanymi przez producentów. Uzyskano następujące wartości strumienia: strumień świetlny żarówki H7 wynosi: (H7)=1462 lm. strumień świetlny dla żarówki H4 wyniósł (H4)=1040 lm. Powyższe wartości zgodne są z deklaracjami producentów. W kolejnym kroku dokonano pomiaru strumienia świetlnego emitowanego przez reflektor przy zmianie temperatury otoczenia od -30 st. C do +40 st. C. Uzyskane wyniki odniesiono do temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki zarówno w przypadku pomiarów dla samej żarówki, jak i pomiarów dla żarówki pracującej w reflektorze. Zmiany strumienia świetlnego przedstawiono na rysunku. Rys. 7. Wykres wartości strumienia świetlnego emitowanego przez żarówki H4 oraz H7 dla rożnych wartości temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki dla pomiarów samej żarówki oraz żarówki w reflektorze. 1281

5 Analiza danych liczbowych wskazuje, że wzrost temperatury otoczenia powoduje wzrost temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki, co w konsekwencji powoduje spadek strumienia świetlnego. Dzieje się tak zarówno w przypadku pracy samych żarówek oraz pracy żarówek w reflektorze. Spadek strumienia jest ciągły i niemal liniowy. Niższe położenie wykresów strumienia świetlnego dla żarówek w oprawach jest konsekwencją sprawności świetlnej reflektora, która ma wartość wynoszącą około 45%. Jak wynika z powyższego zastosowanie reflektora nie przełożyło się na ustabilizowanie strumienia świetlnego tak, aby jego wartość była niezależna od temperatury otoczenia. Dokonane analizy wskazują, że różnica pomiędzy maksymalną a minimalną zmierzoną wartością strumienia świetlnego dla każdej badanych żarówek przy zmianie temperatury otoczenia może wynosić między 8% a 9,5% Temperatura barwowa Temperatura barwowa to sposób oceny światła widzialnego, stosowany przy oświetleniu. Temperaturę barwową źródła światła ustala się na podstawie porównania jego chromatyczności do chromatyczności ciała idealnie czarnego. Temperaturę barwową zazwyczaj mierzy się w stopniach Kelvina (K), jest to temperatura, do której należy ogrzać ciało doskonale czarne, aby uzyskać daną barwę. Temperatura barwowa jest istotnym parametrem uwzględnianym przy zakupie źródeł światła oraz projektowaniu systemów oświetleniowych. Temperatura barwowa żarnika w przypadku typowych żarówek halogenowych wynosi około 3200 K. W przypadku badanych żarówek H4 oraz H7 w temperaturze otoczenia +25 st. C parametr ten wynosił odpowiednio 2974 K oraz 3249 K. Dokonano pomiaru temperatury barowej dla zmiany temperatury otoczenia, a w konsekwencji zmiany bezpośredniego otoczenia żarówek. Pomiary przeprowadzono dla układu pracy samej żarówki oraz żarówki w reflektorze, osobno dla żarówek H4 oraz H7. Zależność temperatury barwowej emitowanego światła od temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki przedstawiono na rysunku. Rys. 7. Wykres wartości temperatury barwowej światła emitowanego przez źródła H4 oraz H7 dla rożnych wartości temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki, dla pomiarów samej żarówki oraz żarówki w reflektorze. Analiza danych liczbowych pozwala dostrzec niemal liniową zależność temperatury barwowej emitowanego światła od temperatury bezpośredniego otoczenia żarówki. Wzrost temperatury otoczenia powoduje spadek temperatury barwowej emitowanego światła przez samą żarówkę. Dodatkowo zastosowanie reflektora zwiększa wartość temperatury barwowej, a różnica w przypadku żarówek H4 oraz H7 wynosi około 50 K. Wzrost ten może wynikać z cech fizycznych zastosowanego w reflektorze odbłyśnika oraz soczewki. W zakresie temperatury barwowej reflektor nie stabilizuje wartości tego parametru na jednakowym poziomie niezależnym od temperatury otoczenia, a zmierzone różnice dla poszczególnych źródeł światła zawierają się w przedziale między 70 a 80K. 1282

6 WNIOSKI Przedstawione wyliczenia wykazują, że warunki otoczenia, a więc i warunki środowiskowe w miejscu eksploatacji pojazdu, wpływają w sposób istotny na parametry świetlne światła generowanego przez żarówki pracujące w obecnie dostępnych reflektorach samochodowych. Badania i regulacje eksploatacyjne nie uwzględniają wpływu zmian temperatury otoczenia na jakość generowanego przez reflektory światła. Szczególnie istotny jest spadek strumienia świetlnego powodowany przez wzrost temperatury otoczenia. Prace osób projektujących reflektory samochodowe powinny zmierzać w kierunku takiego ustabilizowania parametrów świetlnych, aby zmiana warunków otoczenia nie miała wpływu na jakość i ilość generowanego światła. Przeprowadzone badania wskazują, iż w przypadku reflektorów oświetlanych za pomocą żarówek H4 oraz H7 zadanie to może nie być spełniane w sposób właściwy. W konsekwencji może to znaleźć niekorzystne przełożenie na poziom bezpieczeństwa na drogach publicznych. Streszczenie W artykule przedstawiono wpływ otoczenia na parametry świetlne reflektorów samochodowych. W szczególności zwrócono uwagę na zmianę strumienia świetlnego oraz temperatury barwowej w zależności od temperatury otoczenia. Badania odniesiono do dostępnych obecnie na rynku żarówek H4 oraz H7. Analizę przeprowadzono na fabrycznym reflektorze montowanym w samochodzie Opel Vectra, rocznik The influence of environmental conditions on the parameters of light of headlights Abstract The influence of ambient on the headlights light parameters is shown in the article. Particular attention has been paid to change of flux and color temperature depending on the ambient temperature. The study is related to a currently available on the market H4 and H7 bulbs. The analysis was performed by using reflector mounted in the car Opel Vectra, produced in BIBLIOGRAFIA 1. Bogdański J. R., Oświetlenie pojazdów, Poradnik Motoryzacyjny nr 3/ Jerzy Bąk, Technika oświetlania, wyd. WNT, Warszawa Łukasik M., Regulaminy homologacyjne, Instytut Transportu Samochodowego Mazur J., Żagan W., Samochodowa technika świetlna, OWPW 1997r 5. Technika świetlna '96 poradnik informator, praca zbiorowa, Polski Komitet Oświetleniowy SEP, Warszawa