Вимірювання оптичного випромінювання

Фотометрія – це розділ фізичної оптики, присвячений теорії і методам виміру оптичного випромінювання.

Існують два методи світлового вимірювання: суб'єктивний (зоровий), при якому приймачем служить людський орган зору, і об'єктивний (фізичний), де для світлових вимірів використовуються фізичні приймачі.

Зорова фотометрія ґрунтується на здатності ока оцінювати досить точно рівність яскравостей двох полів порівняння.

Фізичні приймачі підрозділяються на фотоелектричні, фотоелектронні, фотохімічні і теплові. Принцип дії фотоелектричних приймачів заснований на внутрішньому фотоефекті (фоторезистори, фотодіоди й ін.), фотоелектронних – на зовнішньому фотоефекті (електронно-оптичні перетворювачі та ін.), фотохімічних – на зміні структури деяких молекул (фотографічні матеріали), теплових – на тепловому ефекті (термоелементи, термопари та ін.).

Вимір світлового потоку здійснюється за допомогою кульового фотометра (фотометричної кулі). Сила світла виміряється за допомогою лінійного і розподільного фотометрів. Вимір яскравості в більшості випадків визначається непрямим методом. Вимір освітленості здійснюється люксметром.

 

ДЖЕРЕЛА СВІТЛА

Основні показники джерел світла

Штучним джерелом світла називається прилад, що перетворює який-небудь вид енергії в світлове випромінювання.

В сучасних електричних джерелах світла електрична енергія перетворюється на світлове випромінювання двома шляхами: шляхом нагрівання тіла електричним струмом і електричним розрядом в газах та парах металів. Перші джерела отримали назву теплових, другі – розрядних.

Для характеристики джерел світла використовують наступні показники:

1) енергетичні:

– енергетичний ККД лампи ,

де – повний потік випромінювання лампи, Вт;

Р_л – потужність лампи, Вт;

– ефективний ККД лампи ;

– ефективний ККД потоку випромінювання лампи .

Усі перераховані вище показники джерела випромінювання взаємопов’язані

– світловіддача лампи (лм/Вт) .

2) світлотехнічні:

– спектральний склад випромінювання лампи Φ(λ);

– світловий (ефективний) потік випромінювання лами Φ, лм;

– пульсація світлового потоку – зміна світлового потоку в часі при живленні лампи змінним струмом;

– колірна температура – температура чорного тіла, при якій її випромінювання має таку ж кольоровість, як і випромінювання, що розглядається;

– передача кольору – характеризує вплив спектрального складу випромінювання джерела на зорове сприйняття кольорових об'єктів в порівнянні з сприйняттям при освітленні опорним джерелом.

3) електричні:

– номінальна (активна) потужність лампи , Вт;

– номінальна напруга лампи , В;

– коефіцієнт потужності лампи ;

– реактивна потужність лампи , вар;

– спосіб запалювання лампи.

4) експлуатаційні:

– корисний термін служби лампи – середня тривалість роботи до моменту зміни одного з її параметрів до величини, що більша за граничні, встановлені стандартом;

– повний термін служби лампи – час роботи лампи до виходу її з ладу;

– залежність основних параметрів лампи від відхилень напруги;

– старіння лампи – погіршення світлотехнічних показників лампи в процесі її експлуатації;

– періодичність чищення ламп;

– періодичність заміни ламп.

 

Класифікація джерел світла представлена у таблиці 2 нижче.

Таблиця 2 - Класифікація джерел світла

Вольфрамові лампи розжарювання

Галогенні лампи розжарювання

Низького тиску

Високого тиску

Надвисокого тиску

Металогалогенні лампи

ДРИ

Низького тиску

Високого тиску

ДНаТ

ДНаО

Високого тиску

Надвисокого тиску

ДКсТ

СВД

Імпульсні лампи

Тліючого свічення і дугового розряду

Світловипромінюючі діоди

Електролюмінісцентні панелі

ЭЛ

Лазері (газові, твердотільні, полупровідникові, рідинні)

Світлосостави

Лампирозжарювання

Лампи розжарювання (ЛР), конструкція яких представлена на рисунку 7, є представниками теплових джерел світла і знаходять широке застосування в побуті і різних галузях промисловості. До переваг ламп розжарювання варто віднести: простоту конструкції, дешевину, відсутність миготіння, відсутність пускорегулюючих пристроїв, гарну передачу кольору, єдине електричне джерело світла напругою 12–36 В. До недоліків ламп варто віднести низьку світловіддачу, малий термін служби, високу чутливість до зміни напруги.

 

Рисунок 7 - Лампа розжарювання загального використання:

1 – скляна колба; 2 – тіло розжарювання; 3 – молібденові крючки;

4 – лінзочка; 5 – електроди; 6 – скляний стержень; 7 – лопатка;

8 – отвір; 9 – скляний циліндр; 10 – відкачна трубка; 11 – цоколь;

12 – шайба; 13 - скломаса; 14 – різьба.

 

Лампи розжарювання характеризуються простотою експлуатації і відсутністю спеціального пристрою для їх включення в електричну мережу.

Сучасна освітлювальна лампа розжарювання (рис. 7) складається з таких конструктивних деталей:

1. Скляна колба. У вакуумних лампах тиск залишкових газів у колбі після відкачки складає 10^-5–10^{-7 мм рт.ст.} У газорозжарювальних лампах після відкачки колба заповнюється сумішшю інертних газів, тиск яких у холодній лампі ~ 600 мм рт. ст. Скло колби лампи розжарювання повинно мати постійний коефіцієнт розширення, безкольоровість і стійку прозорість; високу міцність (колба повинна витримувати легкі удари, струси, вітрове навантаження. Температура розм'якшення скла мусить знаходитися в межах 400 – 500°С. Скло мусить бути термостійким і витримувати різкі коливання температури.

2. Тіло розжарювання, виконане з вольфрамового дроту, звитого спіраллю або біспіраллю. У сучасних лампах тіло розжарювання робиться тільки з вольфраму - тугоплавкого металу, що володіє значною формостійкістю при високих температурах.

3. Молібденові крючки, що надають певну форму тілу розжарювання і підтримують її протягом всього строку служби.

4. Електроди, які передають напругу на тіло розжарювання.

5. Скляний стержень (штабника), у верхній частині якого є потовщення, так звана лінзочка, куди впаюють крючки.

6. Порожній скляний циліндр з розгорнутою нижньою (тарілка) і опресованою верхньою частиною, так званою лопаткою, в якій з'єднані штабик, електроди і відкачна трубка (штенгель). У лопатці продувається отвір, через який проводиться відкачка лампи. Штабик з крючками, тарілка, електроди з тілом розжарювання і штенгель, зібрані разом, становлять ніжку лампи.

7. Цоколь, який складається з металевого стакана з різьбою (латунь або оцинкована сталь), до якого припаяний один із електродів. Другий електрод припаюється до латунної контактної шайби, скріпленої із стаканом цоколя за допомогою скломаси, що служить ізоляцією. Цоколь спеціальною мастикою з'єднується з колбою лампи. Останнім часом у деяких типах ламп цоколь опресовується на колбі [10].

Лампи мають вольфрамову спіраль і бувають вакуумними (тип В) і газонаповненими (типи Г, Б, БК). Лампи типів Г (моноспіральна) і Б (біспіральна) наповнюються аргоном з додаванням азоту, лампи БК мають криптонове наповнення. Діапазон потужностей ламп 15–1500 Вт, напруга 127 і 220 В, світловіддача 7–19 лм/Вт, номінальний термін служби 1000 годин.

Галогенні лампи розжарювання типу ГЛН на стінках лампи утворюють галогеноїди вольфраму (на базі бромистого метилу чи метилену), що, випаровуючись, розкладаються поблизу тіла розжарення і повертають йому атоми вольфраму. Мають потужність до 1–5 кВт, світловіддачу 22 лм/Вт, термін служби 2000–3500 годин.

Лампи розжарювання дуже чуттєві до зміни напруги живильної мережі. Зміни основних параметрів ламп розжарювання у відсотках номінального значення при зміні напруги на (у межах ) приблизно наступні: струм – , потужність – , світловий потік – , світлова віддача – , термін служби – .

Лампи розжарювання використовуються для побутового, місцевого, аварійного освітлення в приміщеннях з невеликим річним числом годин використання і є єдиним джерелом світла на напругу 12–36 В.

 

Газорозрядні лампи

Газорозрядна лампа (ГЛ) - це таке джерело світла, в якому оптичне випромінювання виникає в результаті електричного розряду в газах, парах або їх сумішах.

Характерною особливістю ГЛ, в порівнянні з лампою розжарювання (ЛР), є висока світловіддача, великий термін служби, різноманітний спектр випромінювання і широкий діапазон потужностей.

Всі ГЛ, які використовуються для освітлення, умовно можна розділити на кілька підгруп (конструкція ламп представлена на рисунку 8):

- Ртутні лампи низького тиску (до 1,04 Па) - т. ЛЛ і високого тиску (310... 10 а) - т. ДРЛ з виправленою кольоровістю (для штучного внутрішнього - ЛЛ і зовнішнього - ДРЛ освітлення);

- Металогалогенні - т. ДРИ (для загального освітлення спортивних споруд, виставок, кольорових кінозйомок і т.п.);

- Натрієві низького і високого тиску - т. ДНаТ (для зовнішнього освітлення і великих внутрішніх площ);

- Ксенонові - т. ДКсТ (для освітлення великих відкритих просторів, архітектурних споруд і теплиць);

- Тліючого світіння - т. ТН і дугового розряду - т. ДНеСГ (для індикації і сигналізації) [11].

Переваги ГЛ:

- Висока світловіддача (від 60 до 100 лм / Вт),

- Великий термін служби (10 від до 15 тис годин).,

- Різний спектр світла (УФ, видимий, ІК).

 

Рисунок 8 –Принципові схеми конструкцій ГЛ

1 - Розрядна трубка (пальник) з прозорого кварцового скла, стійкого до дії високих температур і наповнювачів.

2 - Колба прозора (для ДКсТВ - циліндр з фланцями і патрубками для охолоджуючої води, яка подається в зазор) з вольфрамового скла.

3-Люмінофор нанесений на стінки колби.

4 - Електроди з тугоплавкого металу (вольфрам, ніобій і т.і.), активовані.

5 - Цоколь (різьбовий Е27 або Е40, штирьовий та ін.)

6 - газопоглинач барієвий для підтримки вакууму.

 

Недоліки:

- Складне включення в мережу. Для запалювання необхідно ВН. Для стійкого горіння в ланцюг кожної лампи вмикається баласт, що обмежує струм розряду.

- Залежність характеристик від теплового режиму, тому що температура визначає тиск парів робочої речовини. Нормальний режим встановлюється після закінчення деякого часу після включення.

Ртутні лампи

Найбільше застосування для оптичного випромінювання отримали ртутні лампи низького тиску (т. ЛЛ і високого тиску (т. ДРЛ).

ГЛНТ (ЛЛ) - це протяжні люмінесцентні лампи низького тиску, в яких невидиме УФ випромінювання ртутного розряду перетворюється люмінофором у видиме.

По виду розряду різняться:

- ЛЛ дугового розряду з гарячими електродами, з попереднім підігрівом;

- ЛЛ тліючого розряду з холодними електродами, без попереднього підігріву.

У залежності від способу запалювання ЛЛ можуть бути стартерного, швидкого або миттєвого запалювання.

Освітлювальні ЛЛ загального призначення, зазвичай, дугового розряду стартерного запалювання, в прямій колбі для мереж з напругою 220 В.

Принцип дії заснований на перетворенні ультрафіолетового випромінювання (УФВ), отриманого при розряді в парах ртуті, люмінофором при тиску до 10 Па [11].

Включають люмінесцентну лампу в електричну мережу тільки послідовно з баластовим резистором, що обмежує зростання струму в лампі, і таким чином оберігає її від руйнування. У мережах змінного струму в якості баластного резистора застосовують конденсатор або котушку з великим індуктивним опором – дросель (рисунок 9).

Запалювання люмінесцентної лампи відбувається наступним чином. При включенні лампи між електродами виникає тліючий розряд, тепло якого нагріває рухливий біметалічний електрод. При нагріванні до певної температури рухливий електрод стартера, згинаючись, замикається з нерухомим, утворюючи електричний ланцюг, по якому протікає струм, необхідний для попереднього підігріву електродів лампи. Підігріваючись, електроди починають випускати електрони. Під час протікання струму в ланцюзі електродів лампи розряд в стартері припиняється, в результаті температура рухливого електрода стартера зменшується і, розгинаючись, повертається у вихідне положення, розриваючи електричний ланцюг лампи. При розриві до напруги мережі додається ЕРС самоіндукції дроселя і імпульс підвищеної напруги, що виникає в дроселі, викликає дуговий розряд у лампі і її запалювання. З виникненням дугового розряду напруга на електродах лампи і паралельно з'єднаних з ними електродах стартера знижується на стільки, що виявляється недостатнім для виникнення тліючого розряду між електродами стартера. Якщо запалювання лампи не відбудеться, то на електродах стартера з'явиться повна напруга мережі і весь процес повторитися [10].

Рисунок 9 – Стартерне запалювання люмінесцентної лампи

1 – дроссель, 2 – лампа,3 – стартер

 

До переваг люмінесцентних ламп відносяться: відносна простота, великий діапазон з погляду передачі кольору, відносно висока світловіддача, великий термін служби. До недоліків можна віднести: миготіння лампи, наявність пускорегулюючої апаратури (ПРА), малий діапазон потужностей, чутливість до зниження напруги, обмежений температурний діапазон роботи, старіння лампи.

Трубчасті люмінесцентні лампи низького тиску з дуговим розрядом у парах ртуті по кольоровості випромінювання поділяються на білого світла (ЛБ, колірна температура 3500 К), тепло-білого кольору (ЛТБ, 2700 К), холодно-білого кольору (ЛХБ, 4850 К), денного світла (ЛД, 6500 К) і лампи денного світла з виправленою кольоровістю (ЛДЦ).

При включенні ламп у мережу змінного струму коефіцієнт пульсації всіх типів ламп складає (крім ламп ЛДЦ – 41 %). Нормальна робота ламп регламентується при температурному режимі від 5 до 40 °С. При зниженні живильної напруги на 10 % лампа не запалюється, при зменшенні напруги на 20 % запалена лампа тухне, при підвищеній вологості підвищується напруга запалювання лампи.

Потужність ламп 4–150 Вт, світловіддача 75–80 лм/Вт, термін служби до 12000–25000 годин, але до кінця цього терміну світловий потік ламп знижується до 60 % від початкового.

Принципіальна схема пристрою представлена на рисунку 8,а.

ГЛВТ (т. ДРЛ) - це дугові ртутні люмінесцентні лампи високого тиску овальної форми, в яких невидиме УФ випромінювання ртутного розряду перетвориться у видиме люмінофором [11].

Ртутні кварцові лампи високого тиску, конструкція яких представлена на рисунку 9, заповнені аргоном, мають малі габарити і високий тиск (0,3–0,5 МПа), що дозволяє підвищити температуру розрядної трубки до 700–750 ⁰С. Збільшення питомого навантаження в порівнянні з люмінесцентною дозволяє підвищити яскравістьлампи в 10 разів.

Рисунок 10 – Ртутна лампа високого тиску

1 - зовнішня колба скляна, 2 - шар люмінофора, 3 - розрядна трубка із кварцового скла, 4 - робочий електрод, 5 - запалюючий електрод, 6 - обмежувальні резистори в ланцюзі запалюючого електрода; 7 - екран, 8 - ртуть

До переваг ртутних ламп високого тиску, крім високої яскравості, можна віднести: великий діапазон потужностей, високу світловіддачу, значний термін служби, нормальну роботу при низьких температурах. До недоліків ламп можна віднести відносно високу вартість, миготіння лампи, наявність ПРА, чутливість до зниження напруги, погану передачу кольору.

Лампи запалюються і горять при зниженні температури до – 25 С, процес розпалювання ламп триває 5–7 хвилин, при раптовій перерві живлення лампи гаснуть і починають знову розпалюватися тільки після охолодження протягом приблизно 10 хвилин. При відхиленні напруги мережі в межах номінального значення зміна світлового потоку і потужності Р_л виражаються співвідношеннями

і

Для полегшення запалювання більшість ламп мають крім двох основних електродів ще допоміжні.

Коефіцієнт пульсації світлового потоку ламп 63–74 %, діапазон потужностей 400–2000 Вт на напругу 220 і 380 В, світловіддача ламп лм/Вт. Середня тривалість горіння ламп складає 10 тисяч годин.

Лампи в основному використовуються для зовнішнього освітлення і освітлення приміщень з висотою стель більш ніж 4 м на промислових підприємствах, де відсутні вимоги правильної передачі кольору.

Принципіальна схема пристрою також представлена на рисунку 8,б