Temat: BADANIE LUKSOMIERZA I POMIAR ROZKŁADU NATĘśENIA OŚWIETLENIA. WYZNACZANIE LUMINANCJI POWIERZCHNI.

Transkrypt

1 ul.piotroo 3a STUDIA NIESTACJONARNE ELEKTROTECHNIKA Laboratorium PODSTAW TECHNIKI ŚWIETLNEJ Temat: BADANIE LUKSOMIERZA I POMIAR ROZKŁADU NATĘśENIA OŚWIETLENIA. WYZNACZANIE LUMINANCJI POWIERZCHNI. Opracoanie ykonano na podstaie:. Laboratorium z techniki śietlnej (praca zbioroa pod redakcją Władysłaa Golika). Skrypt nr 79. Wydanicto Politechniki Poznańskiej, Poznań 994.,. W. śagan: Podstay techniki śietlnej. Oficyna Wydanicza Politechniki Warszaskiej, Warszaa J. Bąk, W. Pabjańczyk: Podstay techniki śietlnej. Wydanicto Politechniki Łódzkiej, Łódź BADANIE LUKSOMIERZA Luksomierz (rys. ) słuŝy do pomiaru natęŝenia ośietlenia A. Luksomierz obiektyny zbudoany jest z dóch zasadniczych części: - przetornika fotoelektrycznego, którym zazyczaj jest ognio fotoelektryczne, fotorezystor lub fotodioda, - analogoego lub cyfroego miernika ielkości elektrycznych, yskaloanego luksach. Rys.. Luksomierz. Aby luksomierz obiektyny mógł spełniać soje zadanie, poinien: - oceniać mierzone promienioanie zgodnie ze zględną, idmoą skutecznością śietlną V(λ) B (krzya idmoej skuteczności śietlnej fotoprzetornika S(λ) poinna być zgodna z krzyą V(λ), - ocenia śiatło padające pod kątem stosunku do normalnej zgodnie z kosinusem kąta padania, - oceniać średnie artości natęŝenia ośietlenia przy duŝym spółczynniku tętnienia zgodnie z praem Talbota C, A NatęŜenie ośietlenia E, jednostka luks [lx] stosunek strumienia śietlnego padającego na daną poierzchnię do pola tej poierzchni. B Względna idmoa skuteczność śietlna V(λ) odpoiada przyjętej przez Międzynarodoą Komisję Ośietlenioą (CIE) zględnej idmoej skuteczności śietlnej przeciętnego oka ludzkiego. C Oko postrzega oddzielne krótkotrałe, okresoe bodźce śietlne tylko tedy, kiedy następują one po sobie dostatecznie olno. Przy szybszym następoaniu po sobie bodźcó stierdza się migotanie a poyŝej

2 ul.piotroo 3a - skazania poinny być niezaleŝne od czasu i temperatury, - skazania poinny być niezaleŝne od stopnia polaryzacji śiatła, - mieć linioy ziązek między natęŝeniem ośietlenia a artością mierzoną (rónomierną skalę). Wskutek czasoych zmian starzenioych cech fotometrycznych przetornika fotoelektrycznego oraz zmian e spółpracującym z nim układzie elektrycznym skazania luksomierza ulegają zmianie czasie. Z tego zględu zaleca się okresoe skaloanie luksomierzy. W celu skorygoania skazań proadza się spółczynnik korekcji luksomierza zdefinioany jako: E k rz () Esk gdzie: E rz - rzeczyiste natęŝenie ośietlenia pochodzące ze ódła śiatła, dla którego yznaczony jest spółczynnik korekcji, E sk - natęŝenie ośietlenia odczytane ze skali luksomierza dla ódła śiatła, dla którego yznaczany jest spółczynnik korekcji. Współczynnik korekcji luksomierza jest iloczynem spółczynnikó korekcji skali k s i korekcji idmoej k. Współczynnik korekcji skali yznaczany jest przy uŝyciu zorca Ŝarókoego z zaleŝności: Erz k s () Esk gdzie: E rz - rzeczyiste natęŝenie ośietlenia pochodzące od ódła zorcoego, E sk - natęŝenie ośietlenia odczytane ze skali luksomierza dla ódła zorcoego. Z uagi na fakt, Ŝe najczęściej krzya zględnej idmoej czułości przetornika fotoelektrycznego S(λ) nie pokrya się z krzyą zględnej idmoej skuteczności śietlnej V(λ), oraz Ŝe ystępują róŝnice rozkładach idmoych promienioania ódeł śiatła, dla których ykonuje się pomiary natęŝenia ośietlenia i ódła zorcoego (najczęściej zorcem jest Ŝaróka) konieczne jest yznaczenie spółczynnika korekcji idmoej jako: E E rz sk k (3) Esk Erz Wartość spółczynnika korekcji idmoej k naleŝy yznaczyć dla róŝnych ódeł śiatła t.j. ódeł śiatła róŝniących się rozkładem idmoym D. Po uzględnieniu zaleŝności () i (3) otrzymujemy: oraz k k s k (4) Erz k s k Esk () określonej częstotliości (częstotliość zanikoa) postaje raŝenie stałej jaskraości, które przy dalszym podnoszeniu częstotliości nie ulega zmianie. Według Talbota szybko następujące po sobie kolejne okresoe bodźce yołują oku raŝenie rónomiernej jaskraości, jeŝeli ich częstotliość leŝy poyŝej częstotliości zanikoej. Oka ma przy tym zdolność uśredniania luminancji czasie. D Najczęściej spółczynnik korekcji idmoej yznacza się dla następujących ódeł śiatła: śietlóki trzech podstaoych barach (śietlóki z róŝnym luminoforem), lampy rtęcioe, lampy metalohalogenkoe, lampy sodoe.

3 ul.piotroo 3a Jak ynika z zaleŝności (), przemnoŝenie skazań luksomierza przez artość jego spółczynnika korekcji k pozala ustalić rzeczyistą artość mierzonego natęŝenia ośietlenia. W stosoanych luksomierzach obiektynych o częścioo skorygoanym przetorniku fotoelektrycznym artości spółczynnikó korekcji zykle zaierają się następujących granicach: Tabela. Przykładoe artości spółczynnikó korekcji luksomierzy. Lp Współczynnik korekcji Symbol Wartość Współczynnik korekcji skali k s 0.8. Współczynnik korekcji idmoej k Gdy głoica z przetornikiem fotoelektrycznym nie jest skorygoana do kosinusa kąta padania, to pojaia się błąd ynikający z niełaściego pomiaru natęŝenia ośietlenia spoodoanego śiatłem padającym na poierzchnię ośietlaną pod kątem stosunku do normalnej. Skaloanie luksomierza moŝna przeproadzić na łaie fotometrycznej (rys. ), która umoŝliia precyzyjne ustaienie zadanej odległości ódła śiatła i badanego obiektu. Rys.. Łaa fotometryczna. JeŜeli na łaie fotometrycznej umieścić zorcoe ódło śiatła o znanej artości śiatłości kierunkoej I E i jeŝeli ymiary tego ódła śiatła są znacznie mniejsze od odległości r pomiędzy zorcem a przetornikiem fotoelektrycznym luksomierza F, to artość natęŝenia ośietlenia E rz na poierzchni przetornika fotoelektrycznego moŝna obliczyć z tz. praa odrotności kadrató: I E rz (6) r Jednocześnie przy ustaieniu przetornika fotoelektrycznego odległości r naleŝy odczytać artość natęŝenia ośietlenia E sk ze skali luksomierza. Obie artości natęŝenia ośietlenia posłuŝą do obliczenia spółczynnika korekcji skali k s (). E I - śiatłość kierunkoa yraŝona kandelach [cd] to stosunek strumienia d Φ rozchodzącego się elementarnym kącie bryłoym d ω do artości tego kąta, charakteryzuje sposób rozchodzenia się strumienia ódła śiatła przestrzeni. F Zazyczaj przyjmuje się, Ŝe odległość fotometroania poinna być -krotnie iększa od najiększego ymiaru ódła śiatła. Wtedy błąd ynikający ze stosoania tz. praa odrotności kadrató dla niepunktoych ódeł śiatła jest mniejszy niŝ %. 3

4 ul.piotroo 3a.. POMIAR ROZKŁADU NATĘśENIA OŚWIETLENIA Rozkład natęŝenia ośietlenia na poierzchni roboczej stanoiska pracy stanoi istotny czynnik oceny komfortu idzenia. Poziom natęŝenia ośietlenia na danej poierzchni roboczej określony jest przez średnie natęŝenie ośietlenia. JeŜeli pole S danej poierzchni jest podzielone na n jednakoych elementó S i, to średnie natęŝenie ośietlenia E śr moŝna yznaczyć z zaleŝności: n Ei Si n i E śr Ei (7) S n i gdzie: E i - natęŝenie ośietlenia na elemencie S i, praktyce przy łaściym podziale poierzchni S moŝe być zastąpione przez natęŝenie ośietlenia na środku i-tego elementu. Rozkład natęŝenia ośietlenia na danej poierzchni pomieszczenia charakteryzuje rónomierność ośietlenia δ opisana zorem (8). Emin δ (8) Eśr gdzie: E min - minimalne natęŝenie ośietlenia na danej poierzchni. Najmniejsze średnie natęŝenie ośietlenia E śr i rónomierność ośietlenia δ na płaszczyźnie roboczej są normoane. Zalecane artości średniego natęŝenia ośietlenia i rónomierności ośietlenia niezbędne do zapenienia łaściych arunkó idzenia na stanoiskach pracy znajdujących się e nętrzach znajdują się normie PN-EN 464- Ośietlenie miejsc pracy - Część : Miejsca pracy enątrz pomieszczeń..3. POMIARY.3. Skaloanie luksomierza Skaloanie luksomierza ykonać na łaie fotometrycznej układzie przedstaionym na rysunku 3. Rys. 3. Schemat układu pomiaroego do zorcoania luksomierza: I śiatłość ódła zorcoego, PF przetornik fotoelektryczny luksomierza, r odległość pomiędzy zorcem a przetornikiem, P przesłony. 4

5 ul.piotroo 3a Na jednym z końcó łay ustaić Ŝaroy zorzec śiatłości o znanej śiatłości I. Zamocoać na ózku przetornik fotoelektryczny luksomierza i przesuając ózek po łaie fotometrycznej, zmieniając odległość r yznaczyć zaleŝność zmian rzeczyistego natęŝenia ośietlenia pochodzącego od ódła zorcoego E rz funkcji natęŝenia ośietlenia odczytanego ze skali luksomierza E sk (9). Wartość natęŝenia ośietlenia E rz na poierzchni przetornika fotoelektrycznego naleŝy obliczyć z zaleŝności (6). ( E ) E rz f sk (9) Przy danym zorcu śiatłości umocoać ózek z przetornikiem fotoelektrycznym stałym połoŝeniu na łaie fotometrycznej. Obracając przetornik fotoelektryczny dookoła łasnej osi yznaczyć zaleŝność mierzonego natęŝenia ośietlenia E od kąta padania śiatła α G (0). Pomiary ykonać przy zmianach kąta padania śiatła co 0. ( α) E f (0) Wyniki pomiaró skaloania luksomierza zestaić tabeli. Wykreślić zaleŝność (9). Zmiany natęŝenia ośietlenia E funkcji kąta podania śiatła α E ' f α, gdzie E E/E α0. Na tym samym ykresie przedstaić postaci zględnej jako ( ) narysoać funkcję cosα. Obliczyć spółczynniki korekcji skali k s dla szystkich zakresó pomiaroych badanego luksomierza..3. Pomiar rozkładu natęŝenia ośietlenia Za pomocą yskaloanego luksomierza zmierzyć rozkład natęŝenia ośietlenia na poierzchni roboczej. Podzielić poierzchnię roboczą na róne kadraty o boku nie iększym niŝ m. Przetornik fotoelektryczny luksomierza umieszczać środkach kadrató. Podczas odczytó osoba ykonująca pomiary nie poinna zacieniać przetornika fotoelektrycznego. Przetornik fotoelektryczny luksomierza będącego przedmiotem badań charakteryzuje się dobrą korekcją idmoą do V(λ). Współczynniki korekcji idmoej k nie jest yznaczany. W ziązku z tym naleŝy przyjąć, Ŝe artość spółczynnika korekcji idmoej ynosi. Przy takim załoŝeniu rzeczyistą, mierzoną przez luksomierz artość natęŝenia ośietlenia E rz naleŝy obliczyć z zaleŝności (). Erz Erz k Esk k s Esk E sk () Esk Ze zmierzonych artości obliczyć średnie natęŝenie ośietlenia E śr (7) i rónomierność ośietlenia δ (8). Narysoać rozkład natęŝenia ośietlenia postaci izoluksó. Przykładoy ykres izoluksó G Kąt padania śiatła liczyć od normalnej do poierzchni fotoprzetornika

6 ul.piotroo 3a Grupa: Dzień: Godzina: Typ badanego luksomierza: Typ zorca śiatłości: Napięcie fotometroania U fot [V]: Śiatłość zorca I [cd]: Skaloanie luksomierza. Lp r E sk I E rz k s r - [ m ] [ lx ] [ lx ] [ - ] Zakres pomiaroy luksomierza: Zakres pomiaroy luksomierza: Lp r E sk I E rz k s r - [ m ] [ lx ] [ lx ] [ - ] Zakres pomiaroy luksomierza: Zakres pomiaroy luksomierza:

7 ul.piotroo 3a Grupa: Dzień: Godzina: Wyznaczanie zaleŝności mierzonego natęŝenia ośietlenia E od kąta padania śiatła α. Typ badanego luksomierza: Lp α E Lp α E - [ 0 ] [ lx ] - [ 0 ] [ lx ]

8 ul.piotroo 3a Grupa: Dzień: Godzina: Typ badanego luksomierza: Pomiar rozkładu natęŝenia ośietlenia. Zakres pomiaroy luksomierza: Współrzędne punktó pomiaroych X [m].. X [m] X 3 [m]... X 4 [m]... X [m]... X 6 [m]... X 7 [m]... X 8 [m]... Y [m] Y [m] Y 3 [m] Y 4 [m] Y [m] Y 6 [m] Y 7 [m] Y 8 [m] Lp Naza Symbol Wartość Średnie natęŝenie ośietlenia E śr [lx] Rónomierność ośietlenia δ [-] 8

9 ul.piotroo 3a.. Wyznaczanie luminancji poierzchni Luminancja śietlna L [cd/m ] jest fizyczną miarą jaskraości. dφ di di L dω ds cos Θ ds cos Θ ' ds gdzie: dφ elementarny strumień śietlny przenoszony przez elementarną iązkę promienioania przechodzącą przez określony punkt znajdujący się elementarnym kącie bryłoym dω dω - elementarny kąt bryłoy obejmujący określony kierunek, ds. poierzchnia przekroju iązki promienioania zaierająca określony punkt Θ - kąt między normalną do poierzchni tego przekroju, a kierunkiem rozchodzenia się iązki promienioania, di elementarna śiatłość elementarnym kącie bryłoym dω. Obliczanie luminancji poierzchni. Sposób obliczenia luminancji uzaleŝniony jest od łasności fotometrycznych poierzchni. Ze zględu na łasności refleksyjne (transmisyjne) poierzchnie dzielimy na: poierzchnie odbijające(przepuszczające) śiatło sposób kierunkoy, poierzchnie odbijające(przepuszczające) śiatło sposób rozproszony, poierzchnie odbijające(przepuszczające) śiatło sposób kierunkoo rozproszony. 3. odbicie rozproszone. odbicie kierunkoe - rozproszone 3. odbicie kierunkoo odbicie rozproszone. odbicie kierunkoe - rozproszone 6. odbicie kierunkoo Do określenia luminancji poierzchni rozpraszającej ybranym kierunku α zględem normalnej potrzebna jest znajomość artości spółczynnika odbicia tej poierzchni oraz natęŝenia ośietlenia na tej poierzchni. 9

10 ul.piotroo 3a Φ ρ I I m m Φ ρ π Φ ρ Φ ρ π L α di L ds cos α α dim cos α ds cos α dφ ρ π ds E ds ρ π ds E ρ π Luminancję poierzchni odbijającej śiatło sposób idealnie kierunkoy moŝna yznaczyć znając luminancję L α ' ódła śiatła i spółczynnik odbicia ρ poierzchni. L α dφ ρ ' diα ϖ ρ d diα ' L ds cos α ds cos α ds cos α α ρ Luminancja poierzchni odbijającej sposób kierunkoo - rozproszony zaleŝy od zdolności rozproszenia poierzchni oraz od kierunku, pod którym ma być yznaczona. Do określenia luminancji takiej poierzchni niezbędna jest znajomość bryły fotometrycznej lub krzyej śiatłości śiatła odbitego od tej poierzchni przy danym kącie padania. Luminancja elementarnej poierzchni ds pod kątem α jest proporcjonalna do I α /cosα. Dokonując rzutu prostokątnego końca ektora śiatłości I α kierunku normalnej do poierzchni otrzyma się na tym kierunku (na normalnej) odcinek o artości I α /cosα proporcjonalny do luminancji L α. Przenosząc długość tego odcinka na kierunek α otrzyma się luminancje L α. Łącząc szystkie końce ektoró luminancji poszczególnych kierunkach otrzymuje się krzyą skaźnikoą luminancji. a - Krzya skaźnikoa luminancji szkła matoego b - Krzya skaźnikoa luminancji szkła zykłego Zdolności rozpraszające danej poierzchni określa się jako stosunek pola poierzchni pod krzyą skaźnikoą do całkoitego pola ykresu. Zdolności rozpraszające danej poierzchni określić moŝna takŝe na podstaie artości luminancji yznaczonej pod określonymi kątami (α 0, 0 0, 70 0 ). L0 + L δ L 0 (odbicie kierunkoe) δ.0 (odbicie rozproszone) 70 0

11 ul.piotroo 3a.. Pomiar luminancji Pomiar luminancji poierzchni ykonuje się miernikiem luminancji. Dla poierzchni rozpraszających yznaczyć na podstaie pomiaru luminancji i natęŝenia ośietlenia artość spółczynnika odbicia. Wyniki pomiaró POMIARY Opis poierzchni NatęŜenie ośietlenia Mierzona luminancja L [cd/m ] E...[lx] E...[lx] OBLICZENIA Opis poierzchni NatęŜenie ośietlenia Wyznaczony spółczynnik odbicia strumienia śietlnego L π ρ E E...[lx] E...[lx]