POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI Instrukcja do ćwiczenia O4 Temat ćwiczenia POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ORAZ SPRAWNOŚCI OPRAWY OŚWIETLENIOWEJ
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. W ŻP V Ż p Ż P 1 OF P 2 R b R s A Atr L 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; P 1, P 2 przesłony eliminujące bezpośrednie padanie promieni na OF od badanego źródła światła; - 1 -
R b R s W ŻP Ż Ż p 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. L Tablica zasilająca (nr 18) G Atr R s R b W Żp 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 R b o zakresach dekad nr dekady 1 2 3 4 5 zakres 0 10 x 0 10 x 0 10 x 0 10 x 0 10 x rezystancji 0.1 Ω 1 Ω 10 Ω 100 Ω 1 000 Ω o szeregowy R s (2 szt. połączone ze sobą w szereg) o zakresach dekad - 2 -
nr dekady 1 2 3 4 5 zakres 0 10 x 0 10 x 0 10 x 0 10 x 0 10 x rezystancji 0.1 Ω 1 Ω 10 Ω 100 Ω 1 000 Ω Lumenomierz Lumenomierz przestrzenny jest zamkniętą przestrzenią w formie kuli, pokrytą wewnątrz białą farbą o nieselektywnym 1) i możliwie dużym współczynniku odbicia. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej farby matowej odbicie jest rozproszone zgodnie z prawem Lambarta 2). Wewnątrz lumenomierza umieszcza się źródło światła Ż którego strumień świetlny Φ x 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 fotometrycznej 3) 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 P 1 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 Φ w, ze źródłem badanym. Prąd fotoelektryczny odpowiadający strumieniowi świetlnemu badanego źródła jest równy I Fx = kφ x, natomiast prąd fotoelektryczny odpowiadający strumieniowi źródła wzorcowego I Fw = kφ w. 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 -
otrzymamy zależność (2.1.), na podstawie której wyznaczymy strumień badanego źródła: I Fx Φ x = Φw (2.1.) I Fw 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. Φ Opr η Opr = (2.2.) Φ Schemat układu połączeń do pomiaru sprawności oprawy oświetleniowej przedstawiono na rys. 2. Ż Opr W ŻP V Ż p Ż P 1 OF P 2 R b R s A Atr L 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 -
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 Ż p. Pierwszy pomiar z udziałem Ż p () 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 Φ w U w P w wzorca [lm] [V] [W] 1. 2. 3. Parametry źródła badanego Φ dek U o [lm] [V] rodzaj źródła P o [W] Φ dek 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 -
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 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 (R s, R b ) 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. Łącznikiem otwieramy obwód zasilający wzorcowe źródło światła. 4.1.10. 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 napięcia znamionowego źródła odniesienia to należy je ponownie autotransformatorem (Atr) ustawić, pamiętając o uwadze w p. 4.1.4. 4.1.13. Po zamknięciu łącznika i sprawdzeniu czy źródło świeci zamykamy kulę. 4.1.14. Nie zmieniając ustawionych wcześniej (w p. 4.1.8.) wartości rezystancji oporników dekadowych (R s, R b ) odczytujemy wskazanie galwanometru. Wskazania mierników zapisać w tabeli (tab. 2). - 6 -
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] Δ x [dz] Δ w [dz] Φ x [lm] Strumień świetlny badanego źródła światła Φ x można wyznaczyć z zależności (4.1.) - 7 -
w której: Δ x Φ x = Φw (4.1.) Δw Φ w strumień świetlny źródła odniesienia (wzorca) [lm], Δ w wskazanie galwanometru przy zamieszczonym i załączonym w kuli źródle wzorcowym [dz], Δ x wskazanie galwanometru przy zamieszczonym i załączonym w kuli źródle badanym [dz]. 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 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 (R s, R b ) po przez zmianę rezystancji skalujemy układ w taki sposób aby galwanometr wskazywał wartość maksymalną. 4.2.8. Łącznikiem otwieramy obwód zasilający źródło światła, natomiast łącznikiem W ŻP załączamy żarówkę pomocniczą i odczytujemy wskazanie galwanometru. 4.2.9. Łącznikiem otwieramy obwód zasilający źródło światła. 4.2.10. 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 -
4.2.13. Wyłączamy łącznikiem załączamy oprawę oświetleniową natomiast łącznikiem W ŻP wyłączamy żarówkę pomocniczą i odczytujemy wskazanie galwanometru. Tabela 3. Wyniki z pomiarów l.p. Lumenomierz Pomiar 1 Źródło światła z badanej oprawy oświetleniowej Pomiar 2 Źródło światła z badanej oprawy oświetleniowej Pomiar 3 Badana oprawa oświetleniowa wraz z zamocowanym w niej źródłem Pomiar 4 Badana oprawa oświetleniowa wraz z zamocowanym w niej źródłem Zasilanie układu, pozycja W ŻP Wyłącznik W ŻP zamknięty (Ż świeci) Wyłącznik W ŻP otwarty (Ż nie świeci) Wyłącznik W ŻP otwarty (Opr nie świeci) Wyłącznik W ŻP zamknięty (Opr świeci) Żarówka pomocnicza, pozycja otwarty (Ż P nie świeci) zamknięty (Ż P świeci) zamknięty (Ż P świeci) otwarty (Ż P nie świeci) Wskazanie galwanometru G Δ 1 = Δ 2 = Δ 3 = Δ 4 = Sprawność badanej oprawy oświetleniowej η Opr można wyznaczyć z zależności (4.2.) Δ4 Δ2 η Opr = (4.2.) Δ Δ 1 3 5. Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: o układ pomiarowy, o tabele z wynikami pomiarów i obliczeń, o uwagi i wnioski. - 9 -
Załącznik 1. Schemat połączeń żarówki, lampy rtęciowo-żarowej, zintegrowanej świetlówki kompaktowej Schemat połączeń pojedynczej świetlówki C Dł 2 1 Z LF x 4 3 Dł dławik (nazywany także statecznikiem) Z - zapłonnik Schemat połączeń wysokoprężnej lampy rtęciowej Dł C x LR Schemat połączeń wysokoprężnej lampy sodowej układ równoległy Dł układ szeregowy Dł C UZ x WLS C UZ x WLS UZ układ zapłonowy - 1 -