ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВОГО ПОТОКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение методов и оборудования для прямого и косвенного измерения светового потока источников света и световых приборов, КПД светильников, а также световой отдачи источников света.

2. ВВЕДЕНИЕ

В фотометрической практике находят применение как косвенные измерения светового потока путем вычисления по измеренному пространственному распределению силы света (по кривым силы света КСС), так и прямые измерения с помощью шарового фотометра.

Косвенное определение светового потока источника света или светового прибора по КСС I() основано на использовании уравнения

, (3.1)

где d - элементарный телесный угол, в пределах которого сила света может считаться постоянной.

Для точечных источников со светораспределением, симметричным относительно некоторой оси, целесообразно ввести телесные углы, заключенные между коаксиальными коническими поверхностями, разделенными углом d,

, (3.2)

где угол  отсчитывается от оси симметрии.

Тогда световой поток источника определяется по распределению силы света I() в одной продольной плоскости:

. (3.3)

Если функция I() не задана аналитически, интегрирование заменяют суммированием зональных световых потоков

, (3.4)

где - зональный телесный угол.

При делении пространства на зональные телесные углы исходят из требуемой точности расчетов и характера функции I(). При плавном изменении силы света пространство обычно разбивают на 36 или 18 зональных телесных углов с интервалами , равными соответственно 5° и 10°. Значения этих углов для =10° приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Границы зональных углов, град		Телесный угол, ср
0-10	170-180	0,095
10-20	160-170	0,234
20-30	150-160	0,463
30-40	140-150	0,628
40-50	130-140	0,774
50-60	120-130	0,897
60-70	110-120	0,992
70-80	100-110	1,057
80-90	90-100	1,092

Прямые измерения светового потока источников света и световых приборов осуществляются с помощью шарового фотометра. Основным элементом фотометра является полый шар, внутренняя поверхность которого покрыта белой матовой краской. Освещенность этой поверхности складывается из двух составляющих: Е=Е'+Е", где Е' - прямая освещенность, создаваемая непосредственно источником света или световым прибором; Е'' - освещенность, создаваемая многократными отражениями излучения внутри шара.

Прямая освещенность разных точек стенки шара неодинакова и зависит от положения источника и от его светораспределения. Освещенность, создаваемая многократными отражениями, в соответствии с теорией фотометрического шара распределена по его поверхности равномерно и пропорциональна световому потоку Ф источника:

, (3.5)

где  - коэффициент отражения внутренней стенки шара,

R - радиус шара.

Таким образом, измерение светового потока шаровым фотометром может быть сведено к измерению Е'' - освещенности произвольного участка стенки шара, защищенного экраном от прямого света источника. Обычно световой поток Ф измеряют по схеме замещения, сравнивая освещенности Е'', создаваемые исследуемым источником и образцовой (или рабочей) лампой с известным потоком Ф₀:

. (3.6)

3. Описание установки

Для измерения продольной кривой силы света I() исследуемый источник света (люминесцентная лампа мощностью 15-20 Вт) устанавливается горизонтально на кронштейне с поворотным узлом и отсчетным лимбом. Напротив кронштейна размещен приемник излучения, защищенный от постороннего света тубусом. В качестве приемника используется фотоэлемент, снабженный светофильтром, исправляющим его спектральную характеристику под функцию относительной спектральной световой эффективности. Измерение фототока приемника осуществляется микроамперметром с небольшим внутренним сопротивлением.

Основой шарового фотометра (рис. 3.1 ) является полый шар диаметром 1 м с откидной передней полусферой. Для измерения освещенности стенки шара в ней предусмотрено небольшое отверстие, перекрытое светорассеивающим стеклом 5, за которым устанавливается фотоэлемент 7, снабженный корригирующим светофильтром. В верхней части шара предусмотрены отверстия с фиксаторами для крепления держателей источников света или светильников 1, 3, основного 4 и вспомогательного 5 экранов, а также разъемы для подключения источников света и светильников к электрической схеме, (рис. 3.2 и 3.3) Измерительный блок и пульт управления, смонтированные на стенде, позволяют, соответственно, контролировать напряжение питания на лампе накаливания и на комплекте "люминесцентная лампа -дроссель", измерять мощность, потребляемую источником света, а также подключать источники света, электроизмерительные приборы, соответствующий выбранному методу измерения потока фотоэлемент. В соответствии с ГОСТ 21430-82. (Лампы газоразрядные. Методы измерения электрических параметров и светового потока) в схеме с люминесцентной лампой использован образцовый измерительный дроссель (ДОИ).

4. Задание

1. Измерить распределение силы света люминесцентной лампы в продольной плоскости; построить в полярных координатах график I() и сравнить его с кривой силы света для равнояркого цилиндра.

2. Рассчитать световой поток люминесцентной лампы методом зональных телесных углов, а также по максимальной силе света I_макс, приняв лампу за равнояркий цилиндр. Сравнить с результатом, который дает применяемая на практике эмпирическая формула Ф = 9.2 I_макс.

3. Измерить световой поток той же люминесцентной лампы в шаровом фотометре. Рассчитать световую отдачу лампы = Ф/Р, где Р - мощность лампы, измеренная световосстановительным методом.

4. Измерить световой поток лампы накаливания и определить ее световую отдачу.

5. Определить с помощью шарового фотометра КПД светильника = Ф_св/Ф_л при установке в нем той же лампы накаливания.

5. Указания по выполнению работы

Ввиду необходимости стабилизации световых и электрических параметров измерения силы света и светового потока источников производить не ранее, чем через 5 мин после установки на них номинального электрического режима.

При градуировке установки для измерения силы света люминесцентной лампы на место указанной лампы устанавливается образцовая (или рабочая) лампа накаливания с заданной силой света I0. Поскольку в данной установке работа производится на линейном участке световой характеристики фотоэлемента, градуировка сводится к определению цены деления микроамперметра С=I0/n0, где n0 - отсчет прибора при освещении фотоэлемента образцовой (рабочей) лампой силы света.

Сила света люминесцентной лампы в продольной плоскости измеряется через каждые 10 в направлениях =5, 15 и т.д. до 175°, а также при =90°. Отсчет углов производится по лимбу поворотного узла, начиная от оси симметрии лампы.

При измерениях светового потока в шаровом фотометре ввиду линейности световой характеристики фотоэлемента и соответствия его спектральной чувствительности функции относительной спектральной световой эффективности V() формула (3.6) может быть преобразована:

, (3.7)

где n и n0 - отсчеты по микроамперметру при включении в шаре соответственно исследуемого и образцового источников.

При этом точное определение потока по схеме замещения в соответствии с формулой (3.7) возможно только для источников малых размеров (по отношению к диаметру шара) с близкими светотехническими характеристиками.

Наличие в шаре источников излучения, экранов и других предметов приводит к искажению идеального хода многократных отражений светового потока, и тем большему, чем больше размеры этих предметов и меньше их коэффициент отражения. Результатом этого является неравномерность освещенности Е" внутренней стенки шара и неоднозначность зависимости отсчета по микроамперметру от светового потока источника. На практике особенно при фотометрировании светильников с целью уменьшения соответствующей составляющей погрешности измерения проводятся с использованием вспомогательной лампы и дополнительного экрана, установленных в соответствии с рис. 3.1. В этом случае производят четыре отсчета по микроамперметру:

n₀- при включенной образцовой (рабочей) лампе с потоком Ф₀ и выключенной вспомогательной лампе;

m₀ - при включенной вспомогательной лампе в присутствии выключенной образцовой (рабочей) лампы, основного и вспомогательного экранов

m - при включенной вспомогательной лампе в присутствии выключенного исследуемого источника света (светильника), основного и вспомогательного экранов;

n - при включенном исследуемом источнике света (светильнике) и выключенной вспомогательной лампе.

Световой поток исследуемого источника света определится в этом случае следующим образом:

(3.8)

1. КПД светильника может быть найден по формуле

,

где n_св и n_л - отсчеты по микроамперметру при установке в шаре и включении соответственно светильника и вынутой из него лампы; вспомогательная лампа выключена;

m_св и m_л – отсчеты при включенной вспомогательной лампе в присутствии соответственно, светильника и вынутой из него лампы.

2. При измерении светового потока шаровым фотометром нужно внимательно следить за правильным положением экрана, защищающего выходное отверстие от прямого света источников. При работе с люминесцентными лампами основной экран 4 заменяется экраном, укрепленным на держателе лампы. Измеряемые источники света устанавливаются так, чтобы направление максимальной силы света было перпендикулярно оси шарового фотометра, проходящей через центр выходного отверстия.

3. Измерения светового потока источников света производятся при номинальном напряжении питания с отключенным ваттметром.

4. Мощность источников света измеряется световосстановительным методом. При включении ваттметра (и выключенном вольтметре в схеме с лампой накаливания) напряжение питания на лампе регулируется до получения того же отсчета фототока, который был при измерении светового потока. В этот момент и снимается отсчет по ваттметру.

При этом показания ваттметра будут определяться мощностью, потребляемой как самой лампой, так и параллельной ветвью ваттметра (его вольтовой обмоткой). Поэтому мощность, потребляемую лампой, следует находить следующим образом:

,

где Р_л - мощность, потребляемая лампой, Вт; p_w - показания ваттметра, Вт; U_л - действующее значение напряжения на лампе, В; R_w - сопротивление вольтовой обмотки ваттметра. Ом.