Ćwiczenie nr 4 Temat: BADANIE LUKSOMIERZA I POMIAR ROZKŁADU NATĘŻENIA OŚWIETLENIA

Transkrypt

1 ul.piotoo 3a Gupa: lektotechnika, sem 3., esja z dn Podstay Techniki Śietlnej Laboatoium Ćiczenie n 4 Temat: BADANI LUKSOMIRZA I POMIAR ROZKŁADU NATĘŻNIA OŚWITLNIA Opacoanie ykonano na podstaie: 1) Laboatoium z techniki śietlnej (paca zbiooa pod edakcją Władysłaa Golika). Skypt n 179. Wydanicto Politechniki Poznańiej, Poznań )Władysła Dybczyńi Mienicto Pomienioania optycznego Wydanicto Politechniki Białostockiej, Białystok BADANI LUKSOMIRZA Luksomiez (ys. 1) służy do pomiau natężenia ośietlenia A. Luksomiez obiektyny zbudoany jest z dóch zasadniczych części: - pzetonika fotoelektycznego, któym zazyczaj jest ognio fotoelektyczne, fotoezysto lub fotodioda, - analogoego lub cyfoego mienika ielkości elektycznych, yaloanego luksach. Rys. 1. Luksomiez. Aby luksomiez obiektyny mógł spełniać soje zadanie, poinien: - oceniać miezone pomienioanie zgodnie ze zględną, idmoą utecznością śietlną V(λ) B (idmoa uteczność śietlna fotopzetonika S(λ) poinna być zgodna z kzyą V(λ)), - ocenia śiatło padające pod kątem stosunku do nomalnej zgodnie z kosinusem kąta padania, - oceniać śednie atości natężenia ośietlenia pzy dużym spółczynniku tętnienia zgodnie z paem Talbota C, - azania poinny być niezależne od czasu i tempeatuy, - azania poinny być niezależne od stopnia polayzacji śiatła, - mieć linioy ziązek między natężeniem ośietlenia a atością miezoną (ónomieną alę). A Natężenie ośietlenia, jednostka luks [lx] stosunek stumienia śietlnego padającego na daną poiezchnię do pola tej poiezchni. B Względna idmoa uteczność śietlna V(λ) odpoiada pzyjętej pzez Międzynaodoą Komisję Ośietlenioą (CI) zględnej idmoej uteczności śietlnej pzeciętnego oka ludzkiego. C Oko postzega oddzielne kótkotałe, okesoe bodźce śietlne tylko tedy, kiedy następują one po sobie dostatecznie olno. Pzy szybszym następoaniu po sobie bodźcó stiedza się migotanie a poyżej okeślonej częstotliości (częstotliość zanikoa) postaje ażenie stałej jaaości, któe pzy dalszym podnoszeniu częstotliości nie ulega zmianie. Według Talbota szybko następujące po sobie kolejne okesoe bodźce yołują oku ażenie ónomienej jaaości, jeżeli ich częstotliość leży poyżej częstotliości zanikoej. Oka ma pzy tym zdolność uśedniania luminancji czasie. 1

2 ul.piotoo 3a Wutek czasoych zmian stazenioych cech fotometycznych pzetonika fotoelektycznego oaz zmian e spółpacującym z nim układzie elektycznym azania luksomieza ulegają zmianie czasie. Z tego zględu zaleca się okesoe aloanie luksomiezy. W celu oygoania azań poadza się spółczynnik koekcji luksomieza zdefinioany jako: k = z (1) z - zeczyiste natężenie ośietlenia pochodzące ze ódła śiatła, dla któego yznaczony jest spółczynnik koekcji, - natężenie ośietlenia odczytane ze ali luksomieza dla ódła śiatła, dla któego yznaczany jest spółczynnik koekcji. Współczynnik koekcji luksomieza jest iloczynem spółczynnikó koekcji ali k s i koekcji idmoej k. Współczynnik koekcji ali yznaczany jest pzy użyciu zoca żaókoego z zależności: z k s = () z - zeczyiste natężenie ośietlenia pochodzące od ódła zocoego, - natężenie ośietlenia odczytane ze ali luksomieza dla ódła zocoego. Z uagi na fakt, że najczęściej kzya zględnej idmoej czułości pzetonika fotoelektycznego S(λ) nie pokya się z kzyą zględnej idmoej uteczności śietlnej V(λ), oaz że ystępują óżnice ozkładach idmoych pomienioania ódeł śiatła, dla któych ykonuje się pomiay natężenia ośietlenia i ódła zocoego (najczęściej zocem jest żaóka) konieczne jest yznaczenie spółczynnika koekcji idmoej jako: k z = (3) z Watość spółczynnika koekcji idmoej k należy yznaczyć dla óżnych ódeł śiatła t.j. ódeł śiatła óżniących się ozkładem idmoym D. Po uzględnieniu zależności () i (3) otzymujemy: oaz k = k s k (4) z = ks k (5) Jak ynika z zależności (5), pzemnożenie azań luksomieza pzez atość jego spółczynnika koekcji k pozala ustalić zeczyistą atość miezonego natężenia ośietlenia. W stosoanych luksomiezach obiektynych o częścioo oygoanym pzetoniku fotoelektycznym atości spółczynnikó koekcji zykle zaieają się następujących ganicach (tab. 1). Tabela 1. Pzykładoe atości spółczynnikó koekcji luksomiezy. Lp Współczynnik koekcji Symbol Watość 1 Współczynnik koekcji ali k s Współczynnik koekcji idmoej k D Najczęściej spółczynnik koekcji idmoej yznacza się dla następujących ódeł śiatła: śietlóki tzech podstaoych baach (śietlóki z óżnym luminofoem), lampy tęcioe, lampy metalohalogenkoe, lampy sodoe.

3 ul.piotoo 3a Jeżeli śiatło kieunkoe pada pod óżnymi kątami na peną poiezchnię, to yołuje natężenie ośietlenia, któe zmienia się z kosinusem kąta padania. Pomiędzy natężeniem ośietlenia pzy postopadłym padaniu śiatła a natężeniem ośietlenia pzy padaniu pod kątem ϕ istnieje zależność = cos(ϕ). Takiej samej paidłoości poinno podlegać azanie luksomieza. Wyniki pomiaó głoicy fotometycznej zależą od kieunku padania stumienia śietlnego na jego poiezchnię czynną. Czułość pzestzenna głoicy zależy od kształtu i łaściości optycznych oaz od konstukcji geometycznej optycznej głoicy fotometycznej. Spadzenie paidłoości działania koekcji pzestzennej głoicy fotometycznej polega na pomiaze głoicy pzy ośietlaniu jej z okeślonych kieunkó ieoaną iązką śietlną. Podczas pomiaó głoicę pomiaoą poinno się chonić pzed śiatłem ozposzonym. Gdy głoica z pzetonikiem fotoelektycznym nie jest oygoana do kosinusa kąta padania, to pojaia się błąd ynikający z niełaściego pomiau natężenia ośietlenia spoodoanego śiatłem padającym na poiezchnię ośietlaną pod kątem stosunku do nomalnej. Błąd koekcji pzestzennej (dopasoania do kosinusa kąta padania) jest chaakteyzoany funkcją f ( ϕ ) ( ) f ( ) ϕ ϕ = 1 100% 0 cos ϕ= ϕ ϕ - kąt między osią iązki śietlnej a postą postopadłą do poiezchni czynnej odbionika, ( ϕ) - atość natężenia ośietlenia pzy ośietleniu odbionika pod kątem ϕ, ϕ =. ϕ=0 - atość natężenia ośietlenia pzy ośietlaniu odbionika pod kątem 0 Skaloanie luksomieza można pzepoadzić na łaie fotometycznej (ys. ), któa umożliia pecyzyjne ustaienie zadanej odległości ódła śiatła i badanego obiektu. (6) Rys.. Łaa fotometyczna. Jeżeli na łaie fotometycznej umieścić zocoe ódło śiatła o znanej atości śiatłości kieunkoej I i jeżeli ymiay tego ódła śiatła są znacznie mniejsze od odległości pomiędzy zocem a pzetonikiem fotoelektycznym luksomieza F, to atość natężenia ośietlenia z na poiezchni pzetonika fotoelektycznego można obliczyć z tz. paa odotności kadató: I z = (7) I - śiatłość kieunkoa yażona kandelach [cd] to stosunek stumienia d Φ ozchodzącego się elementanym kącie byłoym d ω do atości tego kąta, chaakteyzuje sposób ozchodzenia się stumienia ódła śiatła pzestzeni. F Zazyczaj pzyjmuje się, że odległość fotometoania poinna być 5-kotnie iększa od najiększego ymiau ódła śiatła. Wtedy błąd ynikający ze stosoania tz. paa odotności kadató dla niepunktoych ódeł śiatła jest mniejszy niż 1%. 3

4 ul.piotoo 3a Jednocześnie pzy ustaieniu pzetonika fotoelektycznego odległości należy odczytać atość natężenia ośietlenia ze ali luksomieza. Obie atości natężenia ośietlenia posłużą do obliczenia spółczynnika koekcji ali k s ().. ROZKŁAD NATĘŻNIA OŚWITLNIA Rozkład natężenia ośietlenia na poiezchni oboczej stanoia pacy stanoi istotny czynnik oceny komfotu idzenia. Poziom natężenia ośietlenia na danej poiezchni oboczej okeślony jest pzez śednie natężenie ośietlenia. Jeżeli pole S danej poiezchni jest podzielone na n jednakoych elementó ΔS i, to śednie natężenie ośietlenia ś można yznaczyć z zależności: n ΔS i i n i= 1 1 ś = = i (8) S n i= 1 i - natężenie ośietlenia na elemencie ΔS i, paktyce pzy łaściym podziale poiezchni S może być zastąpione pzez natężenie ośietlenia na śodku i-tego elementu. Rozkład natężenia ośietlenia na danej poiezchni pomieszczenia chaakteyzuje ónomieność ośietlenia δ opisana zoem (9). min δ = (9) ś min - minimalne natężenie ośietlenia na danej poiezchni. Najmniejsze śednie natężenie ośietlenia ś i ónomieność ośietlenia δ na płaszczyźnie oboczej są nomoane. Zalecane atości śedniego natężenia ośietlenia i ónomieności ośietlenia niezbędne do zapenienia łaściych aunkó idzenia na stanoiach pacy znajdujących się e nętzach znajdują się nomie PN-N :004 Ośietlenie miejsc pacy - Część 1: Miejsca pacy enątz pomieszczeń. 4

5 ul.piotoo 3a 3. POMIARY Skaloanie luksomieza ykonać na łaie fotometycznej układzie pzedstaionym na ysunku 3. Rys. 3. Schemat układu pomiaoego do zocoania luksomieza: I śiatłość ódła zocoego, PF pzetonik fotoelektyczny luksomieza, odległość pomiędzy zocem a pzetonikiem, P pzesłony. Wyznaczanie spółczynnika koekcji ali Na jednym z końcó łay ustaić żaoy zozec śiatłości o znanej śiatłości I. Zamocoać na ózku pzetonik fotoelektyczny luksomieza i pzesuając ózek po łaie fotometycznej, zmieniając odległość yznaczyć zależność zmian zeczyistego natężenia ośietlenia pochodzącego od ódła zocoego z funkcji natężenia ośietlenia odczytanego ze ali luksomieza (10). Watość natężenia ośietlenia z na poiezchni pzetonika fotoelektycznego należy obliczyć z zależności (7). ( ) z = f (10) Badanie koekcji dopasoania głoicy luksomieza do kosinusa kąta padania Pzy danym zocu śiatłości umocoać ózek z pzetonikiem fotoelektycznym stałym położeniu na łaie fotometycznej. Obacając pzetonik fotoelektyczny dookoła łasnej osi yznaczyć zależność miezonego natężenia ośietlenia od kąta padania śiatła ϕ G (11). Pomiay ykonać pzy zmianach kąta padania śiatła co 5 0. Zadania = f ( ϕ) (11) Wykeślić zależność (10). Obliczyć spółczynniki koekcji ali k s dla szystkich zakesó pomiaoych badanego luksomieza. Współczynnik koekcji ali yznaczyć diema metodami: a) jako śednią aytmetyczną z pomiaó poszczególnych punktach b) z ykesu, obliczony jako spółczynnik kieunkoy postej yznaczającej linię tendu pomiędzy z a Zmiany natężenia ośietlenia funkcji kąta podania śiatła ϕ pzedstaić na ykesie postaci zględnej jako (ϕ) (1). Na tym samym ykesie naysoać funkcję cosϕ.wykeślić zmianę błędu dopasoania do kosinusa kąta padania śiatła (6). '( ( ϕ) ϕ ) = (1) ϕ= 0 G Kąt padania śiatła liczyć od nomalnej do poiezchni fotopzetonika 5

6 ul.piotoo 3a Pomiay ozkładu natężenia ośietlenia Za pomocą yaloanego luksomieza zmiezyć ozkład natężenia ośietlenia na poiezchni oboczej. Podzielić poiezchnię oboczą na óne kadaty o boku nie iększym niż 1m. Pzetonik fotoelektyczny luksomieza umieszczać śodkach kadató. Podczas odczytó osoba ykonująca pomiay nie poinna zacieniać pzetonika fotoelektycznego. Pzetonik fotoelektyczny luksomieza będącego pzedmiotem badań chaakteyzuje się dobą koekcją idmoą do V(λ). Współczynniki koekcji idmoej k nie jest yznaczany. W ziązku z tym należy pzyjąć, że atość spółczynnika koekcji idmoej ynosi 1. Pzy takim założeniu zeczyistą, miezoną pzez luksomiez atość natężenia ośietlenia z należy obliczyć z zależności (13). Zadania z z = k = k s = (13) Ze zmiezonych atości obliczyć śednie natężenie ośietlenia ś (8) i ónomieność ośietlenia δ (9). Naysoać ozkład natężenia ośietlenia postaci izoluksó. 6

7 ul.piotoo 3a Gupa: Dzień: Godzina: Skaloanie luksomieza. Typ badanego luksomieza: Typ zoca śiatłości: Napięcie fotometoania U fot [V]: Śiatłość zoca I [cd]: Lp z I = k k s - [ m ] [ lx ] [ lx ] [-] [ - ] Zakes pomiaoy luksomieza: Lp z I = k k s - [ m ] [ lx ] [ lx ] [-] [ - ] Zakes pomiaoy luksomieza:

8 ul.piotoo 3a Gupa: Dzień: Godzina: Wyznaczanie zależności miezonego natężenia ośietlenia od kąta padania śiatła. Typ badanego luksomieza: Lp ϕ (ϕ) '( ( ϕ) ϕ ) = Lp ϕ (ϕ) ϕ= 0 ( ϕ) '( ϕ ) = - [ 1 0 ] [ lx ] - - [ 1 0 ] [ lx ] ϕ=

9 ul.piotoo 3a Gupa: Dzień: Godzina: Pomia ozkładu natężenia ośietlenia. Typ badanego luksomieza: Zakes pomiaoy luksomieza: Współzędne punktó pomiaoych X 1 [m].. X [m] X 3 [m]... X 4 [m]... X 5 [m]... X 6 [m]... X 7 [m]... X 8 [m]... Y 1 [m] Y [m] Y 3 [m] Y 4 [m] Y 5 [m] Y 6 [m] Y 7 [m] Y 8 [m] Lp Naza Symbol Watość 1 Śednie natężenie ośietlenia ś [lx] Rónomieność ośietlenia δ [-] 9