Николаенок М.М., Кустова Р.И. Электрическое освещение

1.4.2.Измерительные приемники оптического излучения, их классификация

ихарактеристики

Измерение ОИ основано на преобразовании энергии этого излучения чаще всего в электрическую (тепловую, химическую энергию излучения).

Приборы физического измерения ОИ принципиально состоят из: 1)

приемника излучения; 2) источника питания (иногда); 3) показывающего прибора, проградуированного в тех или иных единицах эффективных величин.

Источником питания чаще всего служат сухие батареи (например, элемент

373 и др.)

Показывающий прибор – микроамперметр или милливольтметр. Эти приборы наиболее чаще применяют при измерении ОИ в с. х. п.

Основным элементом приборов измерения ОИ являются приемники. Для измерения ОИ наиболее распространены приемники, основанные на тепловом и фотоэлектрическом действии оптического излучения.

Фотоэлектрические приемники – энергия излучения в которых непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

По механизму возникновения фотоэффекта приемники делятся на:

1) фотоэлементы с внешним фотоэффектом; 2) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом; 3) фотоэлементы в запирающем слое (вентильные фотоэлементы).

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом испускают электроны в окружающее пространство под действием поглощенного ими излучения. Принципиальное устройство таких фотоэлементов приведено на рис.1.4.2

33

Вольтамперная характеристика:

а) нелинейная

Рис.1.4.6. ВАХ приемника нелинейная

б) линейная

Рис.1.4.7. ВАХ приемника линейная

Световой поток Фo равномерно распределен по внутренней поверхности шарового фотометра и создает одинаковую освещенность всех ее участков:

где r – радиус шара.

Из уравнения (1.4.10) следует, что освещенность внутренней поверхности шарового диаметра пропорциональна световому потоку, испытуемого источника света.

Рис.1.4.9. Схема измерения светового потока с помо- щью шарового фотометра: 1– шаровой фотометр; 2 – источник света; 3 – непро- зрачный белый экран; 4 – молочное стекло; 5 – селено- вый фотоэлемент; 6 – люкс- метр.

При измерении светового потока в шаровом фотометре пользуются методом замещения. При этом вначале в фотометре устанавливают источник с известным потоком (эталонный) и измеряют освещенность Eэт, а затем – испытуемый и измеряют освещенность Еисп. Искомый световой поток определяется из соотношения

38

Таким образом, формула (1.4.14) позволяет определить поток измеряемого источника при известных параметрах эталонного источника (поток Фэт и освещенность Еэт) и освещенность от измеряемого источника.

39

Тема 2. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. ТЕПЛОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1.1 Искусственные источники ОИ, их классификация и характеристики

Источником оптического излучения является любое тело, искусственного или естественного происхождения, генерирующее ОИ. Нас будут интересовать ис-

кусственные источники ОИ.

Наиболее распространены в настоящее время искусственные источники ОИ, в которых для получения излучения, как правило, используют электрическую энергию (есть тепловые излучатели, основанные на сжигании).

Взависимости от способа преобразования энергии в оптическое излучение, источники ОИ разделяют:

1) источники теплового излучения (лампы накаливания);

2) газоразрядные источники ОИ низкого, высокого и сверхвысокого давления (люминесцентные лампы, лампы ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и др.);

3) источники смешанного (теплового и газоразрядного) излучения (лампы ДРВЭД, ДРВ и др.);

4) источники люминесцирующего действия (электролюминесцентные панели);

5) лазеры (жидкостные, газовые, твердотельные).

Втепловом источнике излучателем является тело, нагретое до высоких температур, протекающим по нему электрическим током. Оптическое излучение возникает за счет преобразования энергии теплового движения атомов и молекул тела в энергию электромагнитного излучения.

Характеристики источников ОИ подразделяются:

1) электрические: а) номинальное напряжение; в) номинальная мощность;

2) светотехнические: а) номинальный световой поток; в) спектр излучения;

3) эксплуатационные: а) световая отдача; в) срок службы; в) наработка на отказ;

Световая отдача характеризует экономичность лампы

Срок службы бывает: полный, средний, гарантированный.

Полный срок службы – суммарное время горения от момента включения до момента прекращения функционирования.

Средний срок службы – средняя продолжительность горения не менее 10 ламп.

Гарантированный срок службы – гарантированная заводомизготовителем минимальная продолжительность горения лампы.

40

Наработка на отказ – суммарное время горения до отказа, т.е. до снижения потока ниже установленной нормы или до нуля вследствие перегорания или не зажигания.

2.1.2. Основные положения теории теплового излучения

Тепловое излучение в качестве основных действующих факторов име-

ет температуру.

Температурная характеристика плотности излучения, его спектрального состава, а также связь между способностями тела излучать и поглощать излучения устанавливаются основными законами теплового излучения, которые с целью упрощения теоретического описания процесса сформулированы применительно к абсолютно черному телу. Нужно сказать, что все тела делятся на три класса: абсолютно

черные, серые и избирательные.

Под абсолютно черным телом понимают тело, поглощающее всю падающую на него энергию (r = 0, t = 0).

Если абсолютно черное тело рассматривать как источник ОИ, то это: тепловой излучатель, способный создавать при прочих равных условиях наибольший в сравнении с другими тепловыми излучателями поток излучения.

Исследованием процессов теплового излучения занимались ряд ученых (Кирхгоф, Михельсон, Вин, Планк, Стефан, Больцман).

Анализируя эти исследования, М. Планк получил эмпирическую фор-

мулу, связывающую спектральную плотность энергетического излучения с

длиной волны и абсолютной температурой полного излучателя (формула Планка):

где mе(λ,Т) – спектральная плотность энергетического излучения полного излучателя, Вт/(м2×мкм); l – длина волны, мкм; Т – абсолютная температура,

Кривые спектральной плотности энергетического излучения полного излучателя для различных значений абсолютной температуры, построенные по (2.1.2) имеют вид:

41

Рис. 2.1.1. Зависи-

мость спектральной

плоскости энергети-

Положение максимума кривой спектральной плотности энергетического излучения можно определить, продифференцировав (2.1.2) по l и приравняв ее нулю. В результате получим закон Вина:

λmax Т = 2896 (мкм×К) . (2.1.3)

Закон смещения Вина устанавливает взаимосвязь между абсолютной температурой полного излучателя и длиной волны, при которой спектральная плотность энергетического излучения облучателя имеет максимум.

Из закона Вина следует, что чем выше температура, тем короче длина волны, при которой достигается максимальное значение спектральной плотности энергетического излучения.

Стефан экспериментально, а Больцман теоретически установили взаимосвязь между интегральной плотностью излучения полного излучателя и его температурой. Плотность излучения полного излучателя может быть получена интегрированием (2.1.2) в пределах от 0 до ∞

Кирхгоф установил взаимосвязь между постоянными излучения и интегральными коэффициентами поглощения тел с одинаковой температурой: