LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
1
Ćwiczenie
M_6
Temat ćwiczenia:
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Oprac. dr inż.
T.M. Wójcik
Nr zespołu:
Wydział, rok, grupa:
Data
Nazwisko i imię
Ocena
Teoria
Wykonanie ćwiczenia
Końcowa z ćwiczenia
1.
2.
3.
Elementy użyte w ćwiczeniu:
1) zestaw ośmiu źródeł światła;
2) luksomierz;
3) stoper.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodą pomiaru
na
tężenia oświetlenia.
1. Wprowadzenie
Światło na stanowisku pracy i w jego najbliższym otoczeniu wpływa na szybkość i pewność
widzenia oraz określa w jaki sposób widzimy formy, barwę i właściwości przedmiotów tam
występujących. Aby praca wzrokowa była optymalna, stanowisko pracy oraz pomieszczenie,
w którym się ono znajduje, muszą być odpowiednio oświetlone, by występowała wygoda
widzenia. Do tego konieczne jest spełnienie minimum trzech warunków:
-
Pełna zdolność rozróżniania szczegółów
-
Sprawne spostrzeganie, pozbawione ryzyka dla człowieka
-
Komfortowe spostrzeganie pozbawione odczucia niewygody i zbyt dużego zmęczenia.
ZRÓDŁA SWIATLA
Żarówka konwencjonalna
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
2
(lam
pa żarowa) jest najprostszym i najstarszym elektrycznym źródłem światła, zaliczanym do
temperaturowych (inkandescentnych), które emisję promieniowania zawdzięcza rozgrzaniu
żarnika do wysokiej temperatury (2500- 3200 K), będącej następstwem przepływu przezeń
prądu elektrycznego. Żarząca się podczas przepływu prądu skrętka żarnika, wykonana
najczęściej z wolframu, przy tak wysokiej temperaturze odparowuje ze swej powierzchni
cząsteczki wolframu, które mają tendencję do osadzania się na bańce. Wynikiem tego mamy
do czynienia z zaciemnianiem bańki (zmniejszaniem strumienia świetlnego) i zmniejszaniem
średnicy drutu wolframowego. Mniejsze parowanie wolframu uzyskuje się przez
zastosowanie tzw. atmosfery żarzenia, która albo jest - próżnią (żarówki małej mocy), albo
gazem obojętnym (żarówki dużej mocy), najczęściej szlachetnym (argon, krypton, ksenon).
Parametry świetlne żarówek są zawsze wynikiem kompromisu między ich trwałością i
skutecznością świetlną: zwiększanie skuteczności świetlnej przez podnoszenie temperatury
żarnika zawsze prowadzi do zwiększonego parowania wolframu, a tym samym do obniżenia
trwałości. W odwrotnej sytuacji, przy obniżeniu skuteczności świetlnej przez taką konstrukcję
żarnika, która w wyniku przepływu prądu wywoła względnie niższą temperaturę, parowanie
wolframu wyraźnie się zmniejsza, co prowadzi do powiększenia trwałości. Kompromis
między trwałością a skutecznością świetlną żarówek wyznacza się jako efekt minimalizacji
kosztów wytworzenia 1 lumenogodziny ilości światła. W praktyce oznacza to trwałość około
1000 godzin.
W żarówkach specjalnych rezygnuje się często z trwałości, której kosztem uzyskuje się
podwyższoną skuteczność świetlną. Żarówki stosowane w projektorach kinowych (900 W, 30
V, trwałość 10 h) osiągają skuteczność świetlną 27 lm/W. Uważa się, że granicą
skuteczności świetlnej żarówek wolframowych jest około 40 lm/W.
Temperaturowy charakter emisji światła z żarówki jest powodem, że tylko niewielka część (2-
=
5%) energii dostarczonej do żarówki jest zamieniana na światło. Pozostała część
zamieniana jest głównie na ciepło. Pomimo nie najlepszych parametrów świetlnych,
szczególnie w porównaniu ze źródłami wyładowczymi, żarówki są nadal najpopularniejszym
źródłem światła. Podstawowe zalety żarówek decydujące o ich popularności, to prosta
budowa, tania produkcja, łatwa obsługa, małe gabaryty, brak tętnienia światła, naturalna
barwa światła, bardzo dobre oddawanie barwy oświetlanych obiektów, równomierny rozsył
strumienia świetlnego w przestrzeni.
W chwili obecnej są produkowane żarówki o różnej mocy od ułamków wata (żarówki
stosowane jako wskaźniki) do kilku tysięcy watów. Przybierają one różne formy żarówki
kuliste walcowe(rurkowe), świecowe, grzybkowe i inne. Dostępne są różne odmiany
żarówek: z bańką przezroczystą, matową, opalizowaną, kolorową, zwierciadlaną,
reflektorową; rozwiązania te mają na celu rozproszenie światła emitowanego z żarnika, a tym
samym zmniejszenie luminancji bańki albo częściowe ukształtowanie rozsyłu strumienia
świetlnego w przestrzeni (żarówki reflektorowe). Żarówki jako temperaturowe źródła światła
mogą pracować zarówno na napięcie stałe jak i przemienne. Jednocześnie dzięki sporej
bezwładności termicznej nie wywołują zjawiska stroboskopowego (pozorny bezruch
urządzeń wirujących z prędkością obrotową odpowiadającą częstotliwości napięcia
zasilającego).
Żarówki są bardzo wrażliwe na zmiany wartości napięcia. Zależności odpowiednich wielkości
fotometrycznych i elektrycznych w funkcji napięcia są nieliniowe.
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
3
Żarówka halogenowa
Żarówki halogenowe wynaleziono dużo później niż żarówki konwencjonalne, a ich zalety to
większa o około 50% skuteczność świetlna i jednocześnie powiększona około 2-krotnie
trwałość. Uzyskuje się to poprzez stworzenie warunków odpowiednich dla przebiegu cyklu
regeneracyjnego żarnika.
Podobnie jak żarówka konwencjonalna, temperaturowe źródło światła z grupy żarówek
gazowanych, w którym dzięki wprowadzeniu do wnętrza bańki śladowych ilości pierwiastków
i odpowiedniej do wymagań temperaturowych konstrukcji bańki, inicjowany jest
regeneracyjny cykl halogenowy. Polega on na tra
nsporcie wyparowanego ze skrętki
wolframu, osadzającego się na bańce, z powrotem na żarnik, dzięki łączeniu się w pobliżu
bańki szklanej atomów wolframu z atomami jodu. Na żarniku cząsteczka jodku wolframu
rozpada się, atomy wolframu osadzają się na żarniku, a atomy jodu z powrotem dyfundują w
kierunku bańki, dzięki czemu zmniejsza się parowanie wolframu, a tym samym zaczernienie
bańki żarówki. Warunkiem nieprzerwanego cyklu halogenowego jest wysoka temperatura
bańki (250°C), co z jednej strony wymusza zmniejszenie jej wymiarów, a z drugiej strony tak
wysoką temperaturę może wytrzymać tylko szkło kwarcowe. Cykl halogenowy wydłuża
trwałość żarówki halogenowej (2000 h) a ponadto zwiększa jej skuteczność świetlną, w
zależności od rozwiązania, nawet do około 25-28 lm/W. Jest ona źródłem światła
odpowiednim do stosowania w układach reflektorów i projektorów.
Oprócz jodu jako pierwiastek inicjujący cykl regeneracyjny może być używany brom.
Wadą żarówek halogenowych jest przepuszczanie promieniowania ultrafioletowego przez
szkło kwarcowe. Można tę niedogodność zlikwidować, umieszczając żarówkę halogenową w
dodatkowej bańce szklanej, ale przez to traci się jej atut w postaci małych wymiarów.
Przyjęło się, że znakiem rozpoznawczym żarówek halogenowych pozbawionych
prom
ieniowania ultrafioletowego jest pojawienie się napisu (na opakowaniu) UV-STP.
Żarówki halogenowe wykonywane są przed wszystkim na niskie napięcie (12 V, 24 V), gdyż
wymagania elektryczne związane z napięciem sieciowym, dotyczące minimalnych wymiarów
żarówki i żarnika są w pewnej sprzeczności z koniecznością zachowania małych wymiarów
bańki w celu zainicjowania i podtrzymania cyklu regeneracyjnego.
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
4
Oszczędne żarówki
Energy Saver
Żarówki halogenowe Classic A są znacznie trwalsze - działają przez 2000 godzin (żarówki
t
radycyjne pracują 1000 godzin) i zużywają mniej energii - 84 kWh w ciągu tych 2000 godzin
(żarówki tradycyjne zużywają w tym samym czasie około 120 kWh)
Żarówkę halogenową Classic A (umieszczoną w bańce o klasycznym kształcie) o mocy 42 W
można z powodzeniem zastąpić popularną sześćdziesięciowatową żarówką. Wszystkie
żarówki halogenowe z linii Energy Saver wyposażone są w filtr UV. Tak jak tradycyjne
żarówki, można je montować w instalacjach ze ściemniaczem. Są wśród nich zarówno
żarówki niskonapięciowe, jak i na napięcie 230 V, czyli nie wymagające stosowania
transformatora.
Świetlówki kompaktowe
Świetlówki kompaktowe stają się coraz popularniejsze. Znajdują zastosowanie za- równo w
mieszkaniach prywatnych, jak i lokalach użyteczności publicznej.
Do sprzedaży weszły trzy typy tzw. świetlówek zintegrowanych, to znaczy takich, w których
zamontowano układ elektroniczny. Umożliwia on zasilanie bezpośrednio z sieci, bez
konieczności stosowania dodatkowych urządzeń. Dzięki temu energooszczędne świetlówki
kompaktowe mogą bezpośrednio zastępować tradycyjne źródła żarowe.
Typoszereg
świetlówek kompaktowych:
świetlówki kompaktowe 2U
mocach 7, 9, 11, 13 W z trzonkiem E14,
mocach 7, 9, 11, 13, 15 W z trzonkiem E27,
świetlówki kompaktowe 3U
mocach 15, 18, 20, 26, 30 W z trzonkiem E27,
świetlówki kompaktowe SEB
mocach 15, 18, 20, 26, 30 W z trzonkiem E27.
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
5
Wszystkie nowe typy lamp charakteryzują się temperaturą barwową 4000 K. Podobne
świetlówki o niektórych mocach były oferowane już wcześniej, z temperaturą barwową
2700K.
Żarówki diodowe (LED)
Obecnie oświetlenie oparte na technologii LED zdobywa rynek, wypierając energochłonne
technologie żarówek tradycyjnych z żarnikiem.
Z początku żarówki diodowe nie dawały takiej
światłości jak tradycyjne żarówki. Tematem zainteresowali się światowi producenci z branży
oświetleniowej. Obecnie udało się zwiększyć ich moc poprzez zastosowanie specjalnych
diód HIGH POWER oraz HIGH LUMINANCE, które znacznie wzmocniły jasność żarówki
LED nawet do 80lm/W.
Główne cechy oświetlenia LED:
Oszczędność energii elektrycznej sięgająca 90%
Odporność na spadki napięcia nawet do 40%
Żarówki LED nie nagrzewają się
Żywotność sięgająca 50 000 godzin ciągłego świecenia
Oświetlenie LED współpracuje z typowymi instalacjami elektrycznymi
Natężenie oświetlenia - gęstość strumienia świetlnego padającego na daną powierzchnię,
równa granicy ilorazu strumienia świetlnego Φ padającego na powierzchnię, do jej pola S,
przy S
dążącym do 0.
.
Gdy znane jest
natężenie światła emitowanego ze źródła I, to wzór opisujący natężenie
oświetlenia w dowolnym punkcie powierzchni można przedstawić następująco:
,
gdzie E
jest natężeniem oświetlenia, α jest kątem między normalną do powierzchni a
wektorem skierowanym na źródło światła a r odległością punktu powierzchni od źródła
światła.
Natężenie oświetlenia jest jedyną wielkością światła, która nie charakteryzuje samego źródła
światła, lecz jasność oświetlenia powierzchni.
Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest luks (lx) równy lumen na metr
kwadratowy
(cd·sr·m
-2
)
2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko eksperymentalne składa się z ośmiu źródeł światła i miernika.
Pomiarów natężenia oświetlenia dokonuje się za pomocą miernika nazywanego
luksomierzem.
Natężenie oświetlenia mierzone jest w najprostszym z układów pomiarowych
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
6
używanych w technice świetlnej, gdyż właściwością fotoogniwa jest proporcjonalność prądu
fotoelektrycznego do natężenia oświetlenia na powierzchni światłoczułej ej fotoogniwa.
Ponieważ natężenie oświetlenia jest wielkością zdefiniowaną dla punktu i wyznaczaną dla
płaskiego nieskończenie małego otoczenia tego punktu, wynika stąd konieczność
minimalizacji wielkości światłoczułej powierzchni fotoogniwa oraz wymaganie jej płaskiego
kształtu. Obecnie produkowane luksomierze, których podstawą jest fotoogniwo krzemowe,
mają średnicę czynną czujnika rzędu kilkunastu milimetrów. Od strony padania światła
fotoogniwo luksomierza pokryte jest szeregiem filtrów korygujących czułość spektralną i
nasadkami korygującymi niedokładność wynikającą z geometrii padania światła. Tego typu
konstrukcja, w której czujnik może być oddalony od wyświetlacza, jest rozwiązaniem
prawidłowym, bo umożliwia odczyt w pewnym oddaleniu od miejsca usytuowania czujnika.
Tym samym możliwe jest uniknięcie zasłonięcia czujnika sylwetką osoby dokonującej
odczytu wyniku pomiarów.
Na rysunku 1
przedstawiono wygląd typowego luksomierza. Składa się on z dwóch
zasadniczych
elementów: głowicy pomiarowej – wyposażonej w fotoogniwo oraz miernika
prądu fotoelektrycznego ze wzmacniaczem.
Rys. 1. Widok luksomierza
– miernika natężenia oświetlenia
W stanowisku laboratoryjnym zastosowano
Światłomierz cyfrowy LX – 105 (patrz
Instrukcja obsługi – załącznik).
Układ źródeł światła przedstawiono na rys. 2.
miernik ze
wzmacniaczem
GŁOWICA
FOTOMETRYCZNA
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
7
Rys. 2. Schemat usytuowania źródeł światła na stanowisku laboratoryjnym;
1.
Żarówka diodowa , POLUX, LED COLOR– GU10-48W, 2,5W
2.
Żarówka mleczna OSRAM SUPERLUX KRYPTON, 100W
3.
Żarowa , mała bańka Piła, 100W
4.
Świetlówka kompaktowa ANS Lighting, Energy Saver E27 20W
5.
Żarowa mleczna, OSRAM BELLALUX SOFT WHITE, 100W
6.
Świetlówka kompaktowa OSRAM DULUXSTAR 18W
7. Active OSRAM 100W
8.
Żarowa OSRAM 200W
3. Przebieg pomiarów
a)
Ustawić światłomierz bezpośrednio pod źródłem światła nr 1.
b)
Przygotować światłomierz wg. następującego schematu rys. 3:
Rys. 3. Schemat usytuowania źródeł światła na stanowisku laboratoryjnym czynności
wykonać zgodnie z instrukcją
-jednostka pomiaru LUX
-zakresy pomiarowe
dla źródeł 1 i 8 zakres 20000 LUX, pozostałe 2000 LUX
c)
Zanotować początkowe wskazania miernika
d)
Wyłącznikiem umieszczonym na listwie, bezpośrednio nad źródłami światła włączyć
zasilanie
e)
Co 15 s notować wskazania światłomierza
f)
Odnotować 8 wyników
g)
Powtórzyć czynności a) – f) w odniesieniu do każdego źródła światła
h)
Wyniki pomiarów zanotuj w tabeli 1 oraz zanotuj parametry i błąd pomiaru przyrządów
użytych w ćwiczeniu:
Luxomierz: model: ..................................... zakres pomiarowy: ........... [...]
błąd
pomiaru: .......... [......]
2
1
3
4
5
6
7
8
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
8
Tabela 1. Zestawienie wartości natężenia oświetlenia w funkcji czasu.
Lp.
Czas [min : sek]
Natężenie
oświetlenia
[lx]
Lp.
Czas [min : sek]
Natężenie
oświetlenia
[lx]
Źródło nr 1
1
00:00
51
2
52
3
53
4
54
5
55
6
56
7
57
8
58
9
59
Źródło nr 2
10
00:00
60
11
61
12
62
13
63
14
64
15
65
16
66
17
67
18
68
19
69
20
70
21
71
22
72
23
73
24
74
25
75
26
76
27
77
28
78
29
79
30
80
31
81
32
82
33
83
34
84
35
85
36
86
37
87
38
88
39
89
40
90
41
91
42
92
43
93
44
94
45
95
46
96
47
97
LABORATORIUM METROLOGII
; Ćwiczenie M_6.
POMIAR NATĘŻENIA OŚWIETLENIA
Wydział Energetyki i Paliw Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie
9
48
98
49
99
50
100
4.
Opracowanie wyników
1.
Na podstawie danych z tabeli 1 narysować osiem wykresów zależności natężenia
oświetlenia w funkcji czasu.
Co możesz powiedzieć o szybkości zmian natężenia promieniowania świetlnego?
2.
Wyliczyć błąd pomiaru natężenia oświetlenia dla pierwszego pomiaru każdego ze
źródeł światła. Jako błąd systematyczny przyjąć wartość wskazywaną przed
włączeniem zasilania.
3.
Porównać źródła światła. Uwzględnić relacje natężenia oświetlenia do mocy
elektrycznej
4. Wnioski
Literatura
1.
PN-EN 12464-1:2004
2. Bąk J., Pabjańczyk W.: Podstawy techniki świetlnej, Wydawnictwo PŁ, 1994.