STUDIA NIESTACJONARNE ELEKTROTECHNIKA Laboratorium PODSTAW TECHNIKI ŚWIETLNEJ Temat: POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO I WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK NAPIĘCIOWYCH śarówek Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury: 1). Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 1792. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994. 2). Bąk J., Pabiańczyk W.: Podstawy techniki świetlnej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1994. 1. STRUMIEŃ ŚWIETLNY Strumień świetlny (Φ; jednostka: lumen [lm]) to wielkość wyprowadzona ze strumienia energetycznego przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE A. Strumień energetyczny (strumień promienisty; Φ e, P; jednostka: wat [W]) to moc wysyłana, przenoszona lub przyjmowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Obserwator fotometryczny CIE normalny to idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości widmowej jest zgodna z funkcją V(λ) dla widzenia fotopowego (dziennego) lub funkcją V (λ) dla widzenia skotopowego (nocnego). Względna widmowa skuteczność świetlna V(λ) odpowiada przyjętej przez CIE względnej widmowej skuteczności świetlnej przeciętnego oka ludzkiego. 1.0 0.8 0.6 0.4 V'(λ ) V(λ ) 0.2 0.0 380 480 580 680 780 λ [nm] 507 555 Rys. 1. Względna widmowa skuteczność świetlna. Strumień świetlny moŝe być obliczony z następującej zaleŝności: 780nm Φ Km dφe( λ) V( λ) dλ (1) 380nm gdzie: 380nm 780nm - zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego K m - największa wartość skuteczności świetlnej, K m 683 [lm/w] d Φ e ( λ) [W] - rozkład widmowy strumienia energetycznego, moc promienista widmowa z zakresu długości fali pomiędzy λ a λ + d λ A CIE (Commission Internationale de l Eclairage) Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa 1
2. POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO W LUMENOMIERZU 60-965 Poznań Pomiar strumienia świetlnego przez porównanie z wzorcem strumienia wykonuje się za pomocą lumenomierza. Najczęściej uŝywa się lumenomierzy kulistych (rys. 2). Kula fotometryczna lumenomierza jest światłoszczelnie zamkniętą przestrzenią, pokryta wewnątrz białą rozpraszającą farbą o nieselektywnym i moŝliwie duŝym współczynniku odbicia ρ B. Rys. 2. Lumenomierz kulisty (tzw. kula Ulbrichta), schemat ideowy lumenomierza kulistego: Zw wzorcowe źródło światła, Zx badane źródło światła, P przesłona, A okno pomiarowe, I γ c - światłość źródła światła w kierunku γ,c. Źródło światła o bryle fotometrycznej I γ c C umieszczone w środku lumenomierza o promieniu R (rys. 2) w odległości a wytwarza na elemencie powierzchni ds natęŝenie oświetlenia E 1 : I γ c E1 cos θ (2) 2 a Suma po powierzchni kuli tych natęŝeń oświetlenia jest strumieniem całoprzestrzennym Φ 0 źródła światła. Padający na powierzchnię kuli strumień Φ 0 zostaje w ilości α Φ0 D pochłonięty i w ilości ρ Φ0 odbity. Strumień odbity, przy załoŝeniu odbicia lambertowskiego (idealnie rozproszonego), pada równomiernie na całą powierzchnię kuli i ponownie zostaje odbity w ilości ρ 2 Φ0. Wskutek wielokrotnie występujących odbić cały odbity strumień Φ ρ ma wartość: 2 3 ρ Φ ρ ρ Φ0 + ρ Φ0 + ρ Φ0 +... Φ0 (3) 1 ρ NatęŜenie oświetlenia E 2 wytworzone przez strumień odbity Φ ρ obliczane jest z zaleŝności: Φ0 ρ E2 (4) 4 π R 1 ρ Sumaryczne natęŝenie oświetlenia E na poszczególnych elementach powierzchni kuli jest sumą składowej bezpośredniej E 1 i odbitej E 2 : I γ c Φ0 ρ E cos θ + 2 a 4 π R 1 ρ (5) B ρ - współczynnik odbicia strumienia świetlnego to stosunek strumienia świetlnego odbitego do strumienia świetlnego padającego na daną powierzchnię. C I γ c - światłość kierunkowa wyraŝona w kandelach [cd] to stosunek strumienia d Φ rozchodzącego się w elementarnym kącie bryłowym d ω do wartości tego kąta, charakteryzuje sposób rozchodzenia się strumienia źródła światła w przestrzeni. D α współczynnik pochłaniania strumienia świetlnego. 2
JeŜeli w lumenomierzu przed oknem pomiarowym A wstawić przesłonę P, to dla elementu A powierzchni kuli eliminuje się składową bezpośrednią E 1, zaleŝną od kształtu bryły fotometrycznej źródła światła oraz od jej połoŝenia w kuli. Wtedy natęŝenie oświetlenia E A w oknie pomiarowym A będzie równe składowej odbitej E 2, której wartość jest proporcjonalna do strumienia Φ 0 źródła światła: E A k Φ 0 (6) Φ 0X i, to ze stosunku natęŝeń oświetlenia E X i E W na oknie pomiarowym A JeŜeli zawiesi się w tym samym miejscu w lumenomierzu kolejno źródło mierzone Z X o strumieniu wzorcowe Z W o strumieniu otrzymuje się: E Φ 0W X Φ 0X Φ 0W (7) E W Bezwzględne wartości natęŝenia oświetlenia E X i E W nie muszą być znane, wystarczy znać tylko ich stosunek. Przy pomiarach strumienia świetlnego w okienku pomiarowym umieszcza się przetwornik fotoelektryczny. NatęŜenie prądu tego przetwornika jest proporcjonalne do natęŝenia oświetlenia, a zatem stosunek natęŝeń oświetlenia E X / E W moŝna zastąpić stosunkiem wskazań miernika natęŝenia prądu fotoelektrycznego X / W. Ostatecznie szukana wartość strumienia badanego źródła światła Φ wyznaczana jest z następującej zaleŝności: X Φ 0X Φ 0W (8) W JeŜeli źródło mierzone Z X i źródło wzorcowe Z W wraz ze stosowanym osprzętem (oprawki, mocowania) znacznie róŝnią się pomiędzy sobą gabarytami i własnościami fotometrycznymi uŝytych materiałów to oznacza, Ŝe w róŝnym stopniu wpływają na rozchodzenie się strumienia wewnątrz lumenomierza. Wpływ źródeł światła i ich zamocowania na wynik pomiaru w znacznym stopniu eliminuje się przez wprowadzenie dodatkowych pomiarów ze źródłem pomocniczym. PoniewaŜ w niniejszym ćwiczeniu Ŝarówka badana jak i Ŝarówka wzorcowa są do siebie bardzo podobne i w porównywalny sposób wpływają na rozchodzenie się strumienia wewnątrz lumenomierza to pomiar z Ŝarówką pomocniczą nie będzie wykonywany. 0X 3. śarówki WIADOMOŚCI OGÓLNE Elementem Ŝarówki, w którym następuje przemiana energii elektrycznej w energie świetlną jest Ŝarnik, rozgrzewany do stanu Ŝarzenia poprzez przepływ prądu elektrycznego. Budowę typowej Ŝarówki (tzw. Ŝarówki do ogólnych celów oświetleniowych) pokazano na rys. 3. Rys. 3. Budowa typowej Ŝarówki. śarniki współczesnych Ŝarówek, wykonane są z wolframu w postaci jednoskrętek lub dwuskrętek i umieszczone w bańkach szklanych. Wykorzystanie wolframu na materiał Ŝarnika wynika z jego wysokiej temperatury topnienia (około 3350 0 C), małej prędkości parowania w wysokich temperaturach oraz korzystnego rozkładu widmowego egzytancji energetycznej. Przykładowy rozkład widmowy Ŝarówki przedstawiony jest na rys. 4.. 3
Rys. 4. Rozkład widmowy Ŝarówki. Głównym problemem technicznym związanym z pracą Ŝarówek jest parowanie wolframu, powodujące w konsekwencji przepalenie się Ŝarnika. Z tych względów Ŝarniki Ŝarówek umieszcza się w próŝni (Ŝarówki próŝniowe) lub w atmosferze gazu obojętnego (Ŝarówki gazowane). W Ŝarówkach próŝniowych temperatury robocze Ŝarników nie przekraczają 2500 K, gdyŝ w wyŝszych temperaturach wolfram zaczyna intensywnie parować, osadzając się na bańkach w postaci ciemnego nalotu. W Ŝarówkach gazowanych stosuje się wyŝsze temperatury robocze Ŝarników (2600 K - 2700 K), bowiem obecność gazu znacznie ogranicza intensywność parowania wolframu. śarówki gazowane mają większą skuteczność świetlną η E i barwę światła bardziej zbliŝoną do białej niŝ Ŝarówki próŝniowe. Zazwyczaj Ŝarówki o mocy 40W i większej są wykonywane jako gazowane. Jako wypełnienie baniek Ŝarówek stosuje się azot, argon, krypton i ksenon. Stosowanie gazów o większym cięŝarze atomowym (krypton, ksenon) poprawia skuteczność świetlną i trwałość Ŝarówek. Ze względu na koszty powszechnie stosuje się jednak mieszaninę techniczną azotu i argonu. śarówki są bardzo wraŝliwe na zmiany napięcia zasilania (rys. 5). Rys. 5. Zmiany podstawowych parametrów Ŝarówki w zaleŝności od napięcia zasilania. Dla niewielkich zmian napięcia U (w zakresie +/- 10%) odniesionych do znamionowego napięcia zasilającego Un moŝna zmiany podstawowych parametrów przedstawić za pomocą tzw. wykładników potęgowych n H (tab. 1). Przy niewielkich zmianach napięcia zasilającego U zmiany parametrów lamp H mają charakter wykładniczy i mogą być opisane następującą zaleŝnością: n H (9) H H E η [lm/w] skuteczność świetlna np. Ŝarówki to stosunek strumienia świetlnego wypromieniowanego przez Ŝarówkę do pobieranej mocy. 4
Tabela 1. Przykładowe wartości wykładników potęgowych charakteryzujących zmiany podstawowych parametrów Ŝarówek w zaleŝności od zmian napięcia zasilającego w zakresie +/- 10% w stosunku do napięcia znamionowego Un. Lp Parametr Symbol Wykładnik potęgowy 1 Trwałość τ 2 Strumień świetlny Φ 3 Moc P 4 Skuteczność świetlna η 13 τ τ 3,6 Φ Φ 1,6 P P 1,9 η η 4. POMIARY W zakresie zmian napięcia zasilającego od 0 do 110% napięcia znamionowego pomierzyć następujące parametry Ŝarówki badanej (rys. 6): - Strumień świetlny Φ 0X, - NatęŜenie prądu I. Rys. 6. Schemat układu pomiarowego, A amperomierz, V woltomierz, Zw Ŝarówka wzorcowa, Zx Ŝarówka badana, PF przetwornik fotoelektryczny, Jf prąd fotoelektryczny, J/U konwerter prąd-napięcie, Vc woltomierz cyfrowy. Woltomierz mierzący napięcie na lampie przyłączyć do zacisków napięciowych (U) wyprowadzonych na tablicy lumenomierza. Napięcie zasilające doprowadzić do zacisków prądowych (J). śarówkę badaną i wzorcową przyłączyć do zacisków prądowych (J) i napięciowych (U) znajdujących się wewnątrz lumenomierza. Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć wartości mocy P, skuteczności świetlnej η i rezystancji Ŝarnika R. Wykonać pomiar ze wzorcem o znanej wartości strumienia świetlnego Φ 0W. Pomiar naleŝy wykonać trzykrotnie. Zanotować wskazania miernika natęŝenia prądu fotoelektrycznego W. Obliczyć średnią arytmetyczną. Wykreślić względne charakterystyki napięciowe: na osi X nanieść względne zmiany napięcia zasilającego (U/Un), na osi Y nanieść względne zmiany parametrów Ŝarówki (np. P/Pn, przy czym Pn jest wartością mocy Ŝarówki, która została zmierzona przy znamionowym napięciu zasilającym Un). W zakresie zmian napięcia zasilającego od 0.9Un do 1.1Un obliczyć wykładniki potęgowe n H dla zmian strumienia świetlnego Φ 0X, natęŝenia prądu I, mocy P, skuteczności świetlnej η i rezystancji Ŝarnika R. 5
Grupa: Dzień: Godzina: Pomiar strumienia świetlnego. W Y N I K I P O M I A R Ó W Typ badanej lampy U I P X Φ ( Φ 0X ) η - [ V ] [ A ] [ W ] [ - ] [ lm ] [ lm/w ] Typ Ŝarówki wzorcowej: Napięcie fotometrowania U fot [V]: Strumień świetlny Φ 0W [lm]: Wskazanie miernika natęŝenia prądu fotoelektrycznego W [-], dla Ŝarówki wzorcowej (wykonać trzy pomiary, obliczyć średnią arytmetyczną): 1. 2. 3. 6
Grupa: Dzień: Godzina: Pomiar względnych zmian strumienia świetlnego w czasie rozruchu lampy. W Y N I K I Typ badanej lampy P O M I A R Ó W ', gdzie: ust. wartość ustalona zmierzona po czasie t. ust. t [ s ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 7
Grupa: Dzień: Godzina: Pomiar strumienia świetlnego i wyznaczanie charakterystyk napięciowych Ŝarówek. W Y N I K I P O M I A R Ó W Typ Ŝarówki badanej: Lp U X I Φ ( Φ 0X ) P R η - [ V ] [ - ] [ A ] [ lm ] [ W ] [ Ω ] [ lm/w ] 1 253 2 242 3 230 4 218 5 207 6 190 7 170 8 150 9 130 10 110 11 90 12 70 13 50 14 30 15 10 Typ Ŝarówki wzorcowej: Napięcie fotometrowania U fot [V]: Strumień świetlny Φ 0W [lm]: Wskazanie miernika nat. prądu fotoelektr. W [-]: 1. 2. 3. Zakres pomiarowy miernika natęŝenia prądu fotoelektrycznego: 8
Pomiar strumienia świetlnego i wyznaczanie charakterystyk napięciowych Ŝarówek. CHARAKTERYSTYKI NAPIECIOWE - OBLICZENIA Typ Ŝarówki badanej: Lp U U/Un I/In Φ/Φn P/Pn R/Rn η/η n - [ V ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 1 253 1.10 2 242 1.05 3 230 1 1 1 1 1 1 4 218 0.95 5 207 0.90 6 190 0.83 7 170 0.74 8 150 0.65 9 130 0.57 10 110 0.48 11 90 0.39 12 70 0.30 13 50 0.22 14 30 0.13 15 10 0.04 W y k ł a d n i k i p o t ę g o w e Strumień Moc NatęŜenie prądu Skuteczność świetlna Rezystancja Ŝarnika n Φ n P n I n η n R 9