ЛАБЫ / ЛР1
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерная школа новых производственных технологий Обеспечивающее подразделение: Отделение материаловедения Направление подготовки: 12.03.02 Оптотехника ООП: Оптико-электронные приборы и системы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Измерение светового потока с помощью фотометрического шара
дисциплина «Источники и приёмники оптического излучения»
Выполнил:
Студент руппы |
_________________ |
Проверил: |
|
|
доцент, к.ф.-м.н. ОМ, ИШНПТ |
_________________ |
Валиев Д.Т. |
Томск –
Цели работы: измерить световой поток с помощью фотометрического
шара.
Задачи:
1.Определить градуировочный коэффициент фотометрического шара Кгр.
2.Измерить световые потоки Ф ламп, указанных преподавателем.
3.Определить световую отдачу ламп ηv = Ф/Р [лм/Вт] , где Р – мощность лампы, определяемая произведением тока через лампу на напряжение её питания.
Методика измерений
Установка состоит из фотометрического шара, источника питания переменного тока APS-9301, измерителя электрических параметров GPM 8212, люксметра ТКА-Люкс.
Рис. 1. Схема шарового фотометра: 1 - люксметр; 2 - фотоэлемент; 3 - фотометрический шар; 4 - измеритель электрических параметров; 5 - источник питания переменного тока.
Фотометрический шар пригоден для измерения световых потоков ламп. Шар изготовлен разъёмным из двух половинок, соединяющихся зажимным устройством, представлен на рис.1.
Рис. 2. Установка фотометрического шара: 1 – фотометрический шар; 2 – вилка для крепления сменных патронов; 3 – лампа для измерения.
2
Для того, чтобы поместить источник света в фотометрический шар, необходимо выполнить следующее: открыть фотометрический шар (1), установить источник света (3) в патрон (2) и закрыть шар. На цилиндрическом стержне в шаре расположен экранирующий диск, препятствующий непосредственному попаданию света испытуемой лампы на фотоэлемент.
Источником питания для данной установки служит источник питания переменного тока APS-9301. Панель управления приведена на рис.3. Включение/выключение прибора осуществляется тумблером (1). Увеличить значение подаваемого напряжения можно кнопкой (3). Уменьшить значение подаваемого напряжения можно кнопкой (4). Для перехода в режим работы напряжения 220В нужно нажать кнопку (2). Подача выходного напряжения на источник света осуществляется с помощью кнопки (5).
Рис. 3. Источник питания переменного тока APS-9301: 1 – Тумблер включения/выключения прибора; 2 – кнопка для перехода в режим работы 220В; 3 – кнопка увеличения выходного напряжения; 4 – кнопка уменьшения выходного напряжения; 5 – кнопка подачи выходного напряжения на источник света.
Измерение мощности, напряжения, силы тока и коэффициента мощности проводится с помощью измерителя электрических параметров GPM-8212, рис.4. Включение/выключение прибора осуществляется кнопкой (1). Для того, чтобы зафиксировать значение напряжения, нужно нажать кнопку (2). Для демонстрации значения коэффициента мощности на экране – кнопка (4).
Рис. 4. Измеритель электрических параметров GPM-8212: 1 – Кнопка включения/выключения прибора; 2 – кнопка переключения измерения напряжения; 3 – кнопка включения измерения коэффициента мощности.
3
Измерения освещённости, создаваемой лампой, производятся люксметром ТКА-Люкс, рис.5.
Рис. 5. Люксметр ТКА-Люкс.
ХОД РАБОТЫ
Таблица 1. Результаты измерений эталонной лампы
Напряжение на |
Ток лампы, А |
Мощность лампы, |
Показания |
Световой поток, |
Коэффициент |
лампе, В |
|
Вт |
люксметра, лк |
лм |
мощности |
|
|
|
|
|
|
235 |
0,256 |
61,5 |
2670 |
630 |
0,99 |
1. Определим градуировочный коэффициент фотометрического шара
по формуле: К = Ф0 = 630 = 0,23 (лм/лк) гр Е0 2670
Таблица 2. Параметры измеряемых ламп
Наименование |
Напряжение |
Ток |
Мощность |
|
Показания |
Расчетные параметры |
Коэффициент |
||
на лампе, |
лампы, |
лампы*, |
|
люксметра, |
Световой поток**, |
Световая отдача, |
|||
лампы |
|
мощности |
|||||||
В |
А |
Вт |
|
лк |
лм |
лм/Вт |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лампы накаливания |
|
|
|||
ЛН-1 |
220 |
0,117 |
25,47 |
|
850 |
195,5 |
7,67 |
0,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЛН-2 |
220 |
0,313 |
68,17 |
|
3030 |
696,9 |
10,22 |
0,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Компактные люминесцентные лампы |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КЛЛ-1 (Эра) |
220 |
0,099 |
13,29 (15) |
|
2770 |
637,1 (1000) |
47,95 |
0,61 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КЛЛ-2 |
220 |
0,220 |
27,60 (30) |
|
5315 |
1222,45 (1700) |
44,31 |
0,57 |
|
(Navigator) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Светодиодные лампы |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СД-1 |
220 |
0,098 |
12,07 (12) |
|
5474 |
1259,02 (1130) |
104,28 |
0,56 |
|
(Ganiled) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
СД-2 (Rusled) |
220 |
0,087 |
9,19 (8,5) |
|
2630 |
604,9 (700) |
65,84 |
0,48 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Галогенные лампы |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГЛ-1 (Philips) |
220 |
0,324 |
70,57 (75) |
3150 |
724,5 |
10,27 |
0,99 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГЛ-2 |
220 |
0,233 |
50,74 (52) |
2510 |
577,3 |
11,38 |
0,99 |
||
(Navigator) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
*Указанное производителем значение мощности лампы записать в скобочках после измеренного.
Например, 59,6 (60)
**В случае если производитель указывает световой поток лампы, записать это значение в скобочках после
измеренного.
4
2.Используя формулу, определим световые потоки измеряемых ламп:
1)ФЛН−1 = ЕЛН−1 ∙ Кгр = 850 ∙ 0,23 = 195,5
2)ФЛН−2 = ЕЛН−2 ∙ Кгр = 3030 ∙ 0,23 = 696,9
3)ФКЛЛ−1 = ЕКЛЛ−1 ∙ Кгр = 2770 ∙ 0,23 = 637,1
4)ФКЛЛ−2 = ЕКЛЛ−2 ∙ Кгр = 5315 ∙ 0,23 = 1222,45
5)ФСД−1 = ЕСД−1 ∙ Кгр = 5474 ∙ 0,23 = 1259,02
6)ФСД−2 = ЕСД−2 ∙ Кгр = 2630 ∙ 0,23 = 604,9
7)ФГЛ−1 = ЕГЛ−1 ∙ Кгр = 3150 ∙ 0,23 = 724,5
8)ФГЛ−2 = ЕГЛ−2 ∙ Кгр = 2510 ∙ 0,23 = 577,3
3.Используя формулу, определим световую отдачу измеряемых ламп:
|
ηv ЛН−1 |
= РЛН−1 |
= UЛН−1∙IЛН−1∙cosφЛН−1 |
= 220∙0,117∙0,99 = 7,67 (лм/Вт) |
||||
1) |
ηv ЛН−2 |
|
ФЛН−1 |
|
ФЛН−1 |
|
|
195,5 |
|
= РЛН−2 |
= UЛН−2∙IЛН−2∙cosφЛН−2 |
= 220∙0,313∙0,99 = 10,22 (лм/Вт) |
|||||
2) |
ηv КЛЛ−1 |
ФЛН−2 |
|
ФЛН−2 |
|
|
696,9 |
|
|
= РКЛЛ−1 |
= UКЛЛ−1∙IКЛЛ−1∙cosφКЛЛ−1 |
= 220∙0,099∙0,61 = 47,95 (лм/Вт) |
|||||
3) |
ηv КЛЛ−2 |
ФКЛЛ−1 |
ФКЛЛ−1 |
|
|
637,1 |
||
|
= РКЛЛ−2 |
= UКЛЛ−2∙IКЛЛ−2∙cosφКЛЛ−2 |
= 220∙0,220∙0,57 = 44,31 (лм/Вт) |
|||||
4) |
ηv СД−1 |
|
ФКЛЛ−2 |
ФКЛЛ−2 |
|
|
1222,45 |
|
|
= РСД−1 |
= UСД−1∙IСД−1∙cosφСД−1 |
= 220∙0,098∙0,56 = 107,28(лм/Вт) |
|||||
5) |
ηv СД−2 |
|
ФСД−1 |
|
ФСД−1 |
|
1259,02 |
|
|
= РСД−2 |
= UСД−2∙IСД−2∙cosφСД−2 |
= 220∙0,087∙0,48 = 65,84 (лм/Вт) |
|||||
6) |
ηv ГЛ−1 |
|
ФСД−2 |
|
ФСД−2 |
|
|
604,90 |
|
= РГЛ−1 |
= UГЛ−1∙IГЛ−1∙cosφГЛ−1 |
= 220∙0,324∙0,99 = 10,27 (лм/Вт) |
|||||
7) |
ηv ГЛ−2 |
|
ФГЛ−1 |
|
ФГЛ−1 |
|
|
724,50 |
|
= РГЛ−2 |
= UГЛ−2∙IГЛ−2∙cosφГЛ−2 |
= 220∙0,233∙0,99 = 11,38 (лм/Вт) |
|||||
8) |
|
|
ФГЛ−2 |
|
ФГЛ−2 |
|
|
577,30 |
5
4. Сравнение значений светового потока различных ламп
а) б) в)
Рис. 6. Сравнение параметров исследуемых ламп: а) светового потока; б) световой отдачи; в) коэффициент мощности.
5. Построим зависимость светового потока от времени. Измерения проводились по 3 минуты, каждые 15 секунд, снимались показания с люксметра. Данные в приложении 1, таблице 3.
Рис. 7. Зависимость светового потока от времени. 6. Анализ полученных данных.
6.1. Лампы накаливания.
В течение 3ёх минут световой поток лампы накаливания практически неизменный. После нескольких секунд работы лампы температура нити накала становится устойчивой, и излучение света также стабилизируется. В некоторых случаях, в первые минуты работы, может наблюдаться незначительное снижение светового потока за счёт разогрева нити накала. Однако со временем
6
(в течении сотни часов работы лампы) световой поток будет снижаться из-за испарения вольфрама с нити накала [1].
Показатели светоотдачи ламп накаливания оказался наименьшим среди исследуемых ламп. Однако коэффициент мощности ламп накаливания составил 0,99, что означает крайне низкую реактивную мощность. Несмотря на это лампы накаливания являются не энергоэффективными, так как большая часть энергии уходит на нагрев нити накала [1]. Световая отдача ламп накаливания ЛН-1 и ЛН-2: 10,22 лм/вт и 7,67 лм/вт соответственно. Высокое значение светового потока (696,90 лм) ЛН-2 обусловлено её высокой мощностью (68,17 Вт).
6.2. Компактные люминесцентные лампы
Компактные люминесцентные лампы обычно имеют небольшой световой поток в первые минуты работы. Это связанно с нагреванием паров ртути (их давление увеличивается, что приводит к увеличению светового потока) [1]. Когда стабилизируется давление паров ртути, световой поток становится более устойчивый.
Световая отдача люминесцентных ламп превышает светоотдачу галогенных ламп и ламп накаливания, что свидетельствует о большей энергоэффективности люминесцентных ламп. Измеренные световые потоки ламп КЛЛ-1 (Эра) и КЛЛ-2 (Navigator) оказались ниже паспортного значения (для КЛЛ-1: 637,10 лм - измеренное значение, 1000 лм - паспортное значение; для КЛЛ-2: 1222,45 лм - измеренное значение, 1700 лм - паспортное значение). Возможной причиной этому может являться деградация используемого в лампе люминофора. Коэффициент мощности люминесцентной лампы имеет низкое значение (КЛЛ-1: 0,61 КЛЛ-2: 0,57), что говорит о высоком уровне реактивной мощности.
6.3. Светодиодные лампы
В отличие от других типов ламп, светодиодные лампы характеризуются практически мгновенной стабилизацией светового потока после включения. В некоторых случаях могут быть незначительные отклонения в световом потоке, особенно в первые минуты работы.
7
Светодиодные лампы обладают наибольшей световой отдачей по сравнению с остальными источниками (СД-1: 104,28 лм/вт, СД-2: 65,84 лм/вт). Однако низкий коэффициент мощности для светодиодов говорит о том, что устройство имеет высокую реактивную мощность. Более того, коэффициент мощности исследуемых ламп не соответствует электротехническим требованиям ГОСТ Р 55705-2013: коэффициенты мощности СД-1 и СД-2 соответственно: 0,56 и 0,48. Согласно ГОСТу, значение коэффициента мощности должно быть >= 0,7 [2].
6.4.Галогенные лампы
Втечение 3 минут световой поток галогенных ламп будет практически неизменным. В первые минуты работы может быть заметно небольшое увеличение светового потока, связанное с разогревом галогенной лампы.
Коэффициент мощности галогенных ламп совпадает с коэффициентом мощности лампы накаливания и составляет 0,99 (т.к. галогенная лампа так же является тепловым источником). Световой поток, полученный при расчёте, оказался ниже паспортного значения (577,30 лм - измеренное значение и 860 лм - паспортное значение). Возможной причиной тому является износ нити накала.
Вывод: проведены измерения светового потока с помощью фотометрического шара, определён градуировочный коэффициент фотометрического шара, определена световая отдача для всех измеряемых ламп. Были построены графики сравнения параметров исследуемых ламп, а также зависимость светового потока от времени. Результаты зависимости показали, что галогенные и лампы накаливания имеют наиболее стабильный световой поток. Светодиодные лампы также имеют относительно стабильный световой поток.
8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике. [Электронный ресурс]. -
Электрон. текстовые данные. URL: https://studylib.ru/doc/6389029/yu.b.- ajzenberg---spravochnaya-kniga-po-svetotehnike---m.-zn...
2.ГОСТ Р 55705-2013. ПРИБОРЫ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СО СВЕТОДИОДНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА. Дата введения: 08.11.2023. [Электронный ресурс]. Электрон. текстовые данные. URL: https://lightum.ru/wpcontent/uploads/2018/11/GOST_R_55705.pdf (дата обращения: 09.11.2024)
9
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем различие понятий потока излучения и светового потока?
Поток излучения – это мощность излучения, переносимая потоком фотонов в единицу времени, измеряемая в ваттах.
Световой поток – мощность (световой энергии) видимого излучения по воздействию на человеческое зрение. Эффективная величина, измеряемая в люменах. Единица светового потока – люмен (лм);
2. Как можно измерить световой поток источника света без шарового фотометра?
Существует метод измерения светового потока с использованием гониофотометра, основанный на пошаговой фиксации значений силы света или освещённости источника света при его повороте на известный угол. Для измерения применяются гониофотометр и фотоприемное устройство.
3. Для какой цели служит дисковый экран внутри шара?
Дисковый экран внутри фотометрического шара защищает малый участок стенки около приёмника излучения от попадания света непосредственно от источника. Это необходимо в силу того, что освещённость при непосредственном падении света будет зависеть от положения источника света внутри шара и его светораспределения, что искажает результаты измерения.
4. Как влияет на результаты измерений спектральная чувствительность фотоэлемента?
Спектральная чувствительность – это чувствительность фотоэлемента к свету различных длин волн. Так как элементы шарового фотометра чувствительны к изменению спектрального состава излучения, для точности измерений важно равенство относительных спектральных характеристик излучения эталонной и измеряемой ламп. На практике данные характеристики не совпадают полностью, поэтому ошибку, устраняют введением в расчёты дополнительных поправочных элементов.
10