tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 Grupa: Elektrotechnika, sem 3., wersja z dn. 0.10.007 Technika Świetlna Laboratorium Ćwiczenie nr 4 Temat: POMIAR ŚWIATŁOŚCI KIERUNKOWEJ METODĄ OBIEKTYWNĄ Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury: 1) Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 179. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994. ) W. śagan: Podstawy techniki świetlnej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 005. 3) D. CzyŜewski, S. Zalewski: Laboratorium fotometrii i kolorymetrii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 007. 4) E. Helbig: Podstawy fotometrii. WNT, Warszawa 1985. 1. ŚWIATŁOŚĆ Światłość (źródła w określonym kierunku), (I, jednostka: kandela [cd]), to stosunek strumienia świetlnego dφ, wysyłanego przez źródło światła w elementarnym kącie przestrzennym dω, obejmującym dany kierunek, do wartości tego elementarnego kata przestrzennego. Definicja kandeli: dφ I = d Ω Kandela jest światłością monochromatycznego źródła promieniowania o częstotliwości 540 10 1 Hz, które w rozpatrywanym kierunku charakteryzuje natęŝenie promieniowania 1/680 W/sr. Światłość jest wielkością charakteryzującą przede wszystkim źródła światła i oprawy oświetleniowe. Wartości światłości przykładowych źródeł światła i opraw oświetleniowych []: Ŝarówka głównego szeregu 100 W 100 cd, świetlówka 18 W w kierunku prostopadłym do osi 150 cd, reflektor samochodowy światła drogowego 100 000 cd, oprawa nasufitowa oświetlająca klasę szkolną 100 cd.. POMIAR ŚWIATŁOŚCI KIERUNKOWEJ METODĄ OBIEKTYWNĄ Pomiar światłości kierunkowej metodą obiektywną wykonuje się na ławie fotometrycznej poprzez porównanie światłości badanego źródła światła ze światłością wzorca światłości kierunkowej. W pomiarach obiektywnych porównanie przeprowadza się za pomocą przetwornika fotoelektrycznego, którym najczęściej jest ogniwo fotoelektryczne. NatęŜenie prądu ogniwa fotoelektrycznego I f w stanie zwarcia pomiarowego jest zwykle proporcjonalne do natęŝenia oświetlenia E na jego powierzchni czynnej. Zakładając liniowość całego układu pomiarowego (fotoprzetwornik, konwerter I f /U, woltomierz) wskazanie f układu pomiarowego jest proporcjonalne do natęŝenia oświetlenia E: f = k E
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 JeŜeli pomiary światłości wykonywane są powyŝej granicznej odległości fotometrowania (zwykle r gr jest 5 krotnie większe od największego wymiaru źródła światła), to zaleŝność pomiędzy światłością kierunkową I, a natęŝeniem oświetlenia E na powierzchni ogniwa fotoelektrycznego znajdującego się w odległości r od źródła światła określa wzór: więc: f E = I r I = k r Na podstawie dwóch serii pomiarowych, gdzie kolejno fotoprzetwornik oświetlany jest źródłem badanym oraz źródłem wzorcowym wskazania układu pomiarowego wynoszą odpowiednio: fx = kx Ix rx Iw fw = kw rw Po podzieleniu stronami światłość badanego źródła światła wyznaczyć moŝna na podstawie wzoru: Ix = kw kx r fx x Iw fw rw Współczynniki proporcjonalności k x i k w zaleŝą od liniowości charakterystyki świetlnej oraz czułości widmowej fotoprzetwornika oraz od liniowości wskazań układu pomiarowego. Dla fotoprzetwornika o liniowej zaleŝności I f = f (E), przy jednakowych rozkładach widmowych mocy promienistej mierzonego i wzorcowego źródła światła oraz liniowości charakterystyki układu pomiarowego = f(i f ): k x = k w, wtedy: Ix r = fx x Iw fw rw W praktyce, ze względu na dąŝenie do minimalizowania wartości błędów pomiarowych, wykonuje się pomiary obiektywne światłości kierunkowej dwoma metodami: metoda na jednakową odległość r x = r w fx Ix= Iw fw metoda na jednakowe wskazanie fx = fw r I x x= Iw rw
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 W przypadku pomiaru metodą na jednakową odległość źródło badane oraz źródło wzorcowe ustawia się w tej samej odległości od fotoprzetwornika i odczytuje wskazania układu pomiarowego. W metodzie tej ogranicza się błąd związany z nastawą odległości w obu przypadkach. Błąd ten będzie osiągał wartość najmniejszą dla największej, moŝliwej do ustawienia, odległości źródeł światła od fotoprzetwornika. W przypadku pomiaru na jednakowe wskazanie źródło badane oraz wzorcowe ustawia się w takich odległościach względem fotoprzetwornika, aby uzyskać kaŝdorazowo to samo wskazanie układu pomiarowego. Stosując pomiar na jednakowe wskazanie eliminuje się błąd wynikający z ewentualnej nieliniowości charakterystyki świetlnej fotoprzetwornika. Fotoprzetwornik pracuje w obu przypadkach pomiarowych w tym samym punkcie charakterystyki świetlnej. 3. OGNIWA FOTOELEKTRYCZNE WIADOMOŚCI OGÓLNE Ze względu na swoje własności najczęściej obecnie stosowanymi w technice świetlnej są ogniwa krzemowe. Budowa ogniwa krzemowego (rys.1) Rys. 1. Schemat budowy ogniwa krzemowego [4] 1 złącze p-n. warstwa materiału o przewodnictwie typu n, 3 krzemowa płytka o przewodnictwie typu p. Rys. Wygląd ogniwa krzemowego Działanie ogniwa fotoelektrycznego Światło padające na powierzchnię półprzewodnika generuje pary elektron dziura, które dyfundują do złącza p-n. Tam, na skutek działania pola stykowego, zostają rozdzielane. Dziury przedostają się do obszaru typu p, a elektrony do obszaru typu n. Pomiędzy półprzewodnikiem typu p (naładowanym dodatnio), a półprzewodnikiem typu n (naładowanym ujemnie) powstaje róŝnica potencjałów, a na zaciskach ogniwa siła elektromotoryczna. Po obciąŝeniu ogniwa fotoelektrycznego rezystancją > R > 0 w obwodzie popłynie prąd o natęŝeniu I f.
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 W stanie zwarcia, U f 0, natęŝenie prądu fotoelektrycznego jest proporcjonalne do natęŝenia oświetlenia E na powierzchni czynnej ogniwa. If = k E ZaleŜność ta jest spełniona tylko dla małych rezystancji obciąŝenia (zaleŝnych od rodzaju ogniwa) oraz niŝszych poziomów natęŝenia oświetlenia. Rys 3. Charakterystyki świetlne I f = f(e) dla R z =const. oraz zewnętrzna U f = f(e) ogniwa fotoelektrycznego. Korekcja widmowa i przestrzenna ogniw fotoelektrycznych Czułość widmowa krzemu zdecydowanie odbiega od czułości widmowej oka (krzywej względnej widmowej skuteczności świetlnej promieniowania monochromatycznego krzywej V(λ)). Z tego teŝ względu ogniwa krzemowe bez korekcji do V(λ) nie powinny być stosowane do pomiarów świetlnych, zwłaszcza gdy badane źródła światła oraz wzorce fotometryczne posiadają inne rozkłady widmowe promieniowania. Wykonuje się więc tzw. korekcję widmową ogniwa fotoelektrycznego. Korekcja ta polega na zastosowaniu odpowiedniego układu filtrów nałoŝonego na powierzchnię światłoczułą ogniwa. Rys 3. Charakterystyki V(λ) oka i czułości widmowej ogniwa krzemowego oraz wypadkowa krzywa ogniwa selenowego z filtrem korygującym do czułości widmowej oka. Konieczność przeprowadzania korekcji przestrzennej ogniwa fotoelektrycznego wynika z samej budowy ogniwa (rys., 4) oraz z charakteru odbicia światła od powierzchni światłoczułej ogniwa.
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 W pierwszym przypadku ogniwa krzemowe zawsze posiadają tzw. pierścień zbierający, który zasłania pewną część powierzchni ogniwa przed padającym promieniowaniem pod duŝymi kątami względem normalnej do tej powierzchni (rys 4). Powoduje to powstawanie błędu pomiarowego, którego wartość wzrasta wraz ze wzrostem kąta padania światła. pierścień zbierający Rys.4. Przesłanianie powierzchni ogniwa fotoelektrycznego przez pierścień zbierający. W drugim przypadku, ze względu na fakt, iŝ powierzchnia ogniwa odbija światło w sposób kierunkowo rozproszony, przestrzenna wartość współczynnik odbicia tym samym strumienia świetlnego wnikającego do fotoogniwa silnie zaleŝy od kąta padania wiązki światła. Im mniejszy jest kąt padania światła względem normalnej do powierzchni, tym mniejszy jest współczynnik odbicia, a więc więcej strumienia świetlnego wnika do wnętrza ogniwa. Korektę przestrzenną zwykle wykonuje się poprzez umieszczenie na powierzchni ogniwa mlecznej płytki rozpraszającej, nieco wystającej poza pierścień zbierający (rys 5). nasadka rozpraszająca Rys. 5. Schemat korekcji przestrzennej ogniwa krzemowego. 4. POMIARY Połączyć układ pomiarowy według wytycznych prowadzącego ćwiczenie oraz schematu zamieszczonego na rysunku 6. Wzorzec światłości zasilić napięciem zgodnym z metryką fotometrowania wzorca. Źródła badane zasilić napięciem wskazanym przez prowadzącego. Wyznaczyć wartość światłości kierunkowej badanych Ŝarówek w kierunku prostopadłym do płaszczyzny doprowadników. Pomiary wykonać stosując metody: na jednakową odległość r x = r w na jednakowe wskazanie fx = fw Pomiary przeprowadzić dla kilku wartości wskazań oraz odległości. W celu ograniczenia niepewności pomiarowej kaŝdorazowo powtórzyć pomiary kilkukrotnie. Na podstawie otrzymanych wyników wyliczyć wartość światłości kierunkowej. Wykonać analizę uzyskanych wyników. Oszacować błąd niepewności pomiarowej (Błąd przypadkowy δi xśr ).
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 Rys. 6. Schemat układu do pomiaru światłości kierunkowej metodą bezpośredniego porównania z wzorcem światłości kierunkowej. I x światłość źródła badanego, I w światłość źródła wzorcowego, P przesłony, PF przetwornik fotoelektryczny
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 GRUPA: DZIEŃ: GODZINA: Ćwiczenie nr 4: Pomiar światłości kierunkowej metodą obiektywną WYNIKI POMIARÓW Typ badanej Ŝarówki: Dane znamionowe: Napięcie znamionowe:u zn = [V] Moc znamionowa P zn = [W] Napięcie pomiarowe: U = [V] Typ źródła wzorcowego: Dane znamionowe: Napięcie znamionowe:u zn = [V] Moc znamionowa P zn = [W] Dane wzorcowania: Napięcie fotometrowania:u f = [V] Światłość wzorca I w = [cd] Pomiar na jednakowe wskazanie x = w [dz] [dz] LP. r x r w I x I xśr δi xśr r x r w I x I xśr δi xśr [m] [m] [cd] [cd] [%] [m] [m] [cd] [cd] [%] 1 3 4 5... [dz] [dz] LP. r x r w I x I xśr δi xśr r x r w I x I xśr δi xśr [m] [m] [cd] [cd] [%] [m] [m] [cd] [cd] [%] 1 3 4 5...
tel. (0-61) 665688 fax (0-61) 665389 GRUPA: DZIEŃ: GODZINA: Ćwiczenie nr. 4: pomiar światłości kierunkowej metodą obiektywną WYNIKI POMIARÓW Typ badanej Ŝarówki: Dane znamionowe: Napięcie znamionowe:u zn = [V] Moc znamionowa P zn = [W] Napięcie pomiarowe: U = [V] Typ źródła wzorcowego: Dane znamionowe: Napięcie znamionowe:u zn = [V] Moc znamionowa P zn = [W] Dane wzorcowania: Napięcie fotometrowania:u f = [V] Światłość wzorca I w = [cd] Pomiar na jednakową odległość r x = r w [m] [m] LP. x w I x I xśr δi xśr x w I x I xśr δi xśr [dz] [dz] [cd] [cd] [%] [dz] [dz] [cd] [cd] [%] 1 3 4 5... [m] [m] LP. x w I x I xśr δi xśr x w I x I xśr δi xśr [dz] [dz] [cd] [cd] [%] [dz] [dz] [cd] [cd] [%] 1 3 4 5...