60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa: Elektrotechnika, sem 3., wersja z dn. 14.10.2011
Podstawy Techniki Åšwietlnej
Laboratorium
Ćwiczenie nr 4
Temat: BADANIE LUKSOMIERZA I POMIAR ROZKA
ADU NAT
ŻENIA OŚWIETLENIA
Opracowanie wykonano na podstawie:
1) Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 1792.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994.
2)Władysław Dybczyński  Miernictwo Promieniowania optycznego Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok
1996
1. BADANIE LUKSOMIERZA
A
Luksomierz (rys. 1) służy do pomiaru natężenia oświetlenia . Luksomierz obiektywny zbudowany jest z
dwóch zasadniczych części:
- przetwornika fotoelektrycznego, którym zazwyczaj jest ogniwo fotoelektryczne, fotorezystor lub
fotodioda,
- analogowego lub cyfrowego miernika wielkości elektrycznych , wyskalowanego w luksach.
Rys. 1. Luksomierz.
Aby luksomierz obiektywny mógł spełniać swoje zadanie, powinien:
B
- oceniać mierzone promieniowanie zgodnie ze względną, widmową skutecznością świetlną V()
(widmowa skuteczność świetlna fotoprzetwornika S() powinna być zgodna z krzywą V()),
- ocenia światło padające pod kątem w stosunku do normalnej zgodnie z kosinusem kąta padania,
- oceniać średnie wartości natężenia oświetlenia przy dużym współczynniku tętnienia zgodnie z prawem
Talbota C,
- wskazania powinny być niezależne od czasu i temperatury,
- wskazania powinny być niezależne od stopnia polaryzacji światła,
- mieć liniowy związek między natężeniem oświetlenia a wartością mierzoną (równomierną skalę).
A
Natężenie oświetlenia E, jednostka luks [lx]  stosunek strumienia świetlnego padającego na daną powierzchnię do
pola tej powierzchni.
B
Względna widmowa skuteczność świetlna V() odpowiada przyjętej przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową
(CIE) względnej widmowej skuteczności świetlnej przeciętnego oka ludzkiego.
C
Oko postrzega oddzielne krótkotrwałe, okresowe bodz
ce świetlne tylko wtedy, kiedy następują one po sobie
dostatecznie wolno. Przy szybszym następowaniu po sobie bodz
ców stwierdza się migotanie a powyżej określonej
częstotliwości (częstotliwość zanikowa) powstaje wrażenie stałej jaskrawości, które przy dalszym podnoszeniu
częstotliwości nie ulega zmianie. Według Talbota szybko następujące po sobie kolejne okresowe bodz
ce wywołują w
oku wrażenie równomiernej jaskrawości, jeżeli ich częstotliwość leży powyżej częstotliwości zanikowej. Oka ma przy tym
zdolność uśredniania luminancji w czasie.
1
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Wskutek czasowych zmian starzeniowych cech fotometrycznych przetwornika fotoelektrycznego oraz zmian
we współpracującym z nim układzie elektrycznym wskazania luksomierza ulegają zmianie w czasie. Z tego
względu zaleca się okresowe skalowanie luksomierzy. W celu skorygowania wskazań wprowadza się
współczynnik korekcji luksomierza zdefiniowany jako:
z
r
Erz
(1)
k =
z
r
Esk
gdzie:
z
r
Erz - rzeczywiste natężenie oświetlenia pochodzące ze z
ródła światła, dla którego wyznaczony jest
współczynnik korekcji,
z
r
Esk - natężenie oświetlenia odczytane ze skali luksomierza dla z
ródła światła, dla którego
wyznaczany jest współczynnik korekcji.
Współczynnik korekcji luksomierza jest iloczynem współczynników korekcji skali ks i korekcji widmowej kw.
Współczynnik korekcji skali wyznaczany jest przy użyciu wzorca żarówkowego z zależności:
w
Erz
k = (2)
s
w
Esk
gdzie:
w
- rzeczywiste natężenie oświetlenia pochodzące od z
ródła wzorcowego,
Erz
w
- natężenie oświetlenia odczytane ze skali luksomierza dla z
ródła wzorcowego.
Esk
Z uwagi na fakt, że najczęściej krzywa względnej widmowej czułości przetwornika fotoelektrycznego S() nie
pokrywa się z krzywą względnej widmowej skuteczności świetlnej V(), oraz że występują różnice w
rozkładach widmowych promieniowania z
ródeł światła, dla których wykonuje się pomiary natężenia
oświetlenia i z
ródła wzorcowego (najczęściej wzorcem jest żarówka) konieczne jest wyznaczenie
współczynnika korekcji widmowej jako:
w
z
r
Erz Esk
k = Å" (3)
w
z
r w
Esk Erz
Wartość współczynnika korekcji widmowej kw należy wyznaczyć dla różnych z
ródeł światła t.j. z
ródeł światła
różniących się rozkładem widmowym D. Po uwzględnieniu zależności (2) i (3) otrzymujemy:
(4)
k = ks Å" k
w
oraz
z
r z
r
(5)
Erz = ks Å" k Å" Esk
w
Jak wynika z zależności (5), przemnożenie wskazań luksomierza przez wartość jego współczynnika korekcji
k pozwala ustalić rzeczywistą wartość mierzonego natężenia oświetlenia. W stosowanych luksomierzach
obiektywnych o częściowo skorygowanym przetworniku fotoelektrycznym wartości współczynników korekcji
zwykle zawierają się w następujących granicach (tab. 1).
Tabela 1. Przykładowe wartości współczynników korekcji luksomierzy.
Lp Współczynnik korekcji Symbol Wartość
1 Współczynnik korekcji skali ks 0.8  1.2
2 Współczynnik korekcji widmowej kw 0.9  1.4
D
Najczęściej współczynnik korekcji widmowej wyznacza się dla następujących z
ródeł światła: świetlówki w trzech
podstawowych barwach (świetlówki z różnym luminoforem), lampy rtęciowe, lampy metalohalogenkowe, lampy sodowe.
2
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Jeżeli światło kierunkowe pada pod różnymi kątami na pewną powierzchnię, to wywołuje natężenie
oświetlenia, które zmienia się z kosinusem kąta padania. Pomiędzy natężeniem oświetlenia E przy
prostopadÅ‚ym padaniu Å›wiatÅ‚a a natężeniem oÅ›wietlenia E2 przy padaniu pod kÄ…tem Õ istnieje zależność E2 =
E cos(Õ). Takiej samej prawidÅ‚owoÅ›ci powinno podlegać wskazanie luksomierza.
Wyniki pomiarów głowicy fotometrycznej zależą od kierunku padania strumienia świetlnego na jego
powierzchnię czynną. Czułość przestrzenna głowicy zależy od kształtu i właściwości optycznych oraz od
konstrukcji geometrycznej optycznej głowicy fotometrycznej. Sprawdzenie prawidłowości działania korekcji
przestrzennej głowicy fotometrycznej polega na pomiarze głowicy przy oświetlaniu jej z określonych
kierunków skierowaną wiązką świetlną. Podczas pomiarów głowicę pomiarową powinno się chronić przed
światłem rozproszonym.
Gdy głowica z przetwornikiem fotoelektrycznym nie jest skorygowana do kosinusa kąta padania, to pojawia
się błąd wynikający z niewłaściwego pomiaru natężenia oświetlenia spowodowanego światłem padającym
na powierzchnię oświetlaną pod kątem w stosunku do normalnej. Błąd korekcji przestrzennej (dopasowania
do kosinusa kÄ…ta padania) jest charakteryzowany funkcjÄ…
f2 (Õ)
ëÅ‚ öÅ‚
E(Õ)
ìÅ‚
f2 (Õ) = -1÷Å‚ "100% (6)
ìÅ‚ ÷Å‚
EÕ=0 cosÕ
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie:
Õ - kÄ…t miÄ™dzy osiÄ… wiÄ…zki Å›wietlnej a prostÄ… prostopadÅ‚Ä… do powierzchni czynnej odbiornika,
E(Õ) - wartość natężenia oÅ›wietlenia przy oÅ›wietleniu odbiornika pod kÄ…tem Õ ,
EÕ=0 - wartość natężenia oÅ›wietlenia przy oÅ›wietlaniu odbiornika pod kÄ…tem .
Õ = 0
Skalowanie luksomierza można przeprowadzić na ławie fotometrycznej (rys. 2), która umożliwia precyzyjne
ustawienie w zadanej odległości z
ródła światła i badanego obiektu.
Rys. 2. A
awa fotometryczna.
Jeżeli na ławie fotometrycznej umieścić wzorcowe z
ródło światła o znanej wartości światłości kierunkowej
Iw E i jeżeli wymiary tego z
ródła światła są znacznie mniejsze od odległości r pomiędzy wzorcem a
F
w
przetwornikiem fotoelektrycznym luksomierza , to wartość natężenia oświetlenia na powierzchni
Erz
przetwornika fotoelektrycznego można obliczyć z tzw. prawa odwrotności kwadratów:
Iw
w
Erz = (7)
r2
E
I - światłość kierunkowa wyrażona w kandelach [cd] to stosunek strumienia dŚ rozchodzącego się w elementarnym
kÄ…cie bryÅ‚owym dÉ do wartoÅ›ci tego kÄ…ta, charakteryzuje sposób rozchodzenia siÄ™ strumienia z
ródła światła w
przestrzeni.
F
Zazwyczaj przyjmuje się, że odległość fotometrowania powinna być 5-krotnie większa od największego wymiaru z
ródła
światła. Wtedy błąd wynikający ze stosowania tzw. prawa odwrotności kwadratów dla niepunktowych z
ródeł światła jest
mniejszy niż 1%.
3
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Jednocześnie przy ustawieniu przetwornika fotoelektrycznego w odległości r należy odczytać wartość
w
natężenia oświetlenia ze skali luksomierza. Obie wartości natężenia oświetlenia posłużą do obliczenia
Esk
współczynnika korekcji skali ks (2).
2. ROZKA
AD NAT
ŻENIA OŚWIETLENIA
Rozkład natężenia oświetlenia na powierzchni roboczej stanowiska pracy stanowi istotny czynnik oceny
komfortu widzenia. Poziom natężenia oświetlenia na danej powierzchni roboczej określony jest przez
średnie natężenie oświetlenia. Jeżeli pole S danej powierzchni jest podzielone na n jednakowych elementów
"Si, to średnie natężenie oświetlenia Eśr można wyznaczyć z zależności:
n
"E Å" "Si 1 n
i
i=1
EÅ›r = = Å"
"E (8)
i
S n
i=1
gdzie:
Ei - natężenie oświetlenia na elemencie "Si, w praktyce przy właściwym podziale powierzchni S może być
zastąpione przez natężenie oświetlenia na środku i-tego elementu.
Rozkład natężenia oświetlenia na danej powierzchni pomieszczenia charakteryzuje równomierność
oÅ›wietlenia ´ opisana wzorem (9).
Emin
´ = (9)
Eśr
gdzie:
- minimalne natężenie oświetlenia na danej powierzchni.
Emin
Najmniejsze Å›rednie natężenie oÅ›wietlenia i równomierność oÅ›wietlenia ´ na pÅ‚aszczyz
nie roboczej sÄ…
Eśr
normowane. Zalecane wartości średniego natężenia oświetlenia i równomierności oświetlenia niezbędne do
zapewnienia właściwych warunków widzenia na stanowiskach pracy znajdujących się we wnętrzach
znajdują się w normie PN-EN 12464-1:2004 Oświetlenie miejsc pracy - Część 1: Miejsca pracy wewnątrz
pomieszczeń.
4
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
3. POMIARY
Skalowanie luksomierza wykonać na ławie fotometrycznej w układzie przedstawionym na rysunku 3.
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do wzorcowania luksomierza: Iw  światłość z
ródła wzorcowego, PF  przetwornik
fotoelektryczny luksomierza, r  odległość pomiędzy wzorcem a przetwornikiem, P  przesłony.
Wyznaczanie współczynnika korekcji skali
Na jednym z końców ławy ustawić żarowy wzorzec światłości o znanej światłości Iw . Zamocować na wózku
przetwornik fotoelektryczny luksomierza i przesuwając wózek po ławie fotometrycznej, zmieniając odległość
r wyznaczyć zależność zmian rzeczywistego natężenia oświetlenia pochodzącego od z
ródła wzorcowego
w w
w funkcji natężenia oświetlenia odczytanego ze skali luksomierza (10). Wartość natężenia
Erz Esk
w
oświetlenia na powierzchni przetwornika fotoelektrycznego należy obliczyć z zależności (7).
Erz
w w
Erz = f(Esk) (10)
Badanie korekcji dopasowania głowicy luksomierza do kosinusa kąta padania
Przy danym wzorcu światłości umocować wózek z przetwornikiem fotoelektrycznym w stałym położeniu na
ławie fotometrycznej. Obracając przetwornik fotoelektryczny dookoła własnej osi wyznaczyć zależność
mierzonego natężenia oÅ›wietlenia E od kÄ…ta padania Å›wiatÅ‚a Õ G (11). Pomiary wykonać przy zmianach
kąta padania światła co 50.
E = f (Õ) (11)
Zadania
Wykreślić zależność (10). Obliczyć współczynniki korekcji skali ks dla wszystkich zakresów
pomiarowych badanego luksomierza. Współczynnik korekcji skali wyznaczyć dwiema metodami:
a) jako średnią arytmetyczną z pomiarów w poszczególnych punktach
b) z wykresu, obliczony jako współczynnik kierunkowy prostej wyznaczającej linię trendu pomiędzy
a
Erz Esk
Zmiany natężenia oÅ›wietlenia E w funkcji kÄ…ta podania Å›wiatÅ‚a Õ przedstawić na wykresie w postaci
wzglÄ™dnej jako E (Õ) (12). Na tym samym wykresie narysować funkcjÄ™ cosÕ .WykreÅ›lić zmianÄ™ bÅ‚Ä™du
dopasowania do kosinusa kąta padania światła (6).
E(Õ)
E'(Õ) = (12)
EÕ=0
G
Kąt padania światła liczyć od normalnej do powierzchni fotoprzetwornika
5
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Pomiary rozkładu natężenia oświetlenia
Za pomocą wyskalowanego luksomierza zmierzyć rozkład natężenia oświetlenia na powierzchni roboczej.
Podzielić powierzchnię roboczą na równe kwadraty o boku nie większym niż 1m. Przetwornik fotoelektryczny
luksomierza umieszczać w środkach kwadratów. Podczas odczytów osoba wykonująca pomiary nie powinna
zacieniać przetwornika fotoelektrycznego.
Przetwornik fotoelektryczny luksomierza będącego przedmiotem badań charakteryzuje się dobrą korekcją
widmową do V(). Współczynniki korekcji widmowej kw nie jest wyznaczany. W związku z tym należy
przyjąć, że wartość współczynnika korekcji widmowej wynosi 1. Przy takim założeniu rzeczywistą, mierzoną
z
r
przez luksomierz wartość natężenia oświetlenia należy obliczyć z zależności (13).
Erz
w
Erz z
r
z
r z
r z
r
Erz = k Å"Esk = ks Å"Esk = Å"Esk (13)
w
Esk
Zadania
Ze zmierzonych wartoÅ›ci obliczyć Å›rednie natężenie oÅ›wietlenia EÅ›r (8) i równomierność oÅ›wietlenia ´
(9). Narysować rozkład natężenia oświetlenia w postaci izoluksów.
6
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa: Dzień: Godzina:
Skalowanie luksomierza.
Typ badanego luksomierza:
Typ wzorca światłości:
Napięcie fotometrowania Ufot [V]:
Światłość wzorca Iw [cd]:
w w
Lp r Esk w Iw k ks Lp r Esk w Iw k ks
Erz = Erz =
2
r2 r
- [ - ] - [ - ]
[ m ] [ lx ] [ lx ] [-] [ m ] [ lx ] [ lx ] [-]
Zakres pomiarowy luksomierza: Zakres pomiarowy luksomierza:
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9
10 10
11 11
12 12
13 13
14 14
15 15
7
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa: Dzień: Godzina:
Wyznaczanie zależności mierzonego natężenia oświetlenia E od kąta padania światła.
Typ badanego luksomierza:
E(Õ) E(Õ)
E'(Õ) = E'(Õ) =
Lp Lp
Õ E(Õ) Õ E(Õ)
EÕ=0 EÕ=0
- [ 10 ] [ lx ] - - [ 10 ] [ lx ] -
1 0 19 0
2 5 20 -5
3 10 21 -10
4 15 22 -15
5 20 23 -20
6 25 24 -25
7 30 25 -30
8 35 26 -35
9 40 27 -40
10 45 28 -45
11 50 29 -50
12 55 30 -55
13 60 31 -60
14 65 32 -65
15 70 33 -70
16 75 34 -75
17 80 35 -80
18 85 36 -85
8
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Grupa: Dzień: Godzina:
Pomiar rozkładu natężenia oświetlenia.
Typ badanego luksomierza:
Zakres pomiarowy luksomierza:
Współrzędne X1 [m] X2 [m] X3 [m] X4 [m] X5 [m] X6 [m] X7 [m] X8 [m]
punktów
pomiarowych ............. ........... .............. .............. .............. .............. .............. ..............
Y1 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y2 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y3 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y4 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y5 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y6 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y7 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Y8 [m] z
r
[lx]
Esk
z
r
[lx]
Erz
...........
Lp Nazwa Symbol Wartość
1 Średnie natężenie oświetlenia Eśr [lx]
2 Równomierność oÅ›wietlenia ´ [-]
9