FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.
EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 11. Měření světelných veličin OSNOVA 11. KAPITOLY ● Úvod do měření světelných veličin ● Základní fotometrické veličiny ● Přístroje pro měření fotometrických veličin
Optická laboratoř na OTTP EÚ FSI VUT v Brně
ÚVOD DO MĚŘENÍ SVĚTELNÝCH VELIČIN SVĚTLO JE ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ má vlnový a korpuskulární charakter, = 3,5.10-7 až 7,5.10-7 m. Význam měření světelných veličin: Měření světelných veličin je důležité pro stanovení optimálních světelných podmínek k práci či odpočinku, aby nedocházelo ● k pracovním úrazům, ● k poškozování zraku v důsledku nedostatku světla, ● k poškozování zraku výkonnými světelnými zdroji (jako jsou např. slunce, elektrické oblouky, lasery, plameny, roztavené kovy). Vzhledem k těmto skutečnostem je přednáška zaměřena zejména na měření fotometrických veličin. 2
ZÁKLADNÍ FOTOMETRICKÉ VELIČINY - 1 ● SVÍTIVOST ZDROJE IV [cd] je základní fotometrickou veličinou. Jednotka kandela [cd] je svítivost povrchu absolutně černého tělesa v kolmém směru k povrchu, jehož velikost je 1/600000 m2, a to při teplotě tuhnutí platiny 2042 K a při tlaku 101325 Pa.
dV IV d V [lm] [sr-1]
[cd]
je světelný tok (jednotka = lumen) je prostorový úhel Pozn.: Svíčka = 1 cd, stowattová žárovka = 100 cd, slunce = 1028 cd ● SVĚTELNÝ TOK V [lm] z bodového zdroje do prostorového úhlu
V IV d
[lm]
Pozn.: Svíčka = 10 lm, 100 W žárovka = 1300 lm, kompaktní 15 W zářivka = 900 lm. Také se používá měrný výkon [lm.W-1].
3
ZÁKLADNÍ FOTOMETRICKÉ VELIČINY - 2 ● SPEKTRÁLNÍ HUSTOTA SVĚTELNÉHO TOKU V [lm.m-1] světelného zdroje závislá na [m]
V
dV d
[lm.m-1]
● JAS ZDROJE LV [cd.m-2] je podíl svítivosti dIV [cd] elementu plochy zdroje dS [m2] v daném směru a [rad] a průmětu daného elementu plochy (dS.cosa ) do roviny kolmé k tomuto směru
dIV d 2V LV dS cos a d dS cos a
Jas závisí na směru pozorování, u Lambertových zdrojů nikoli.
● OSVĚTLENÍ ČI INTENZITA OSVĚTLENÍ EV [lx] Jednotkou je lux, měří se pomocí luxmetru
dV EV dS dV [lm]
[lm.m-2]
Testo 540
je elementární světelný tok dS [m2] je elementární plocha Pozn.: Zatažená obloha = 5 000 lx , slunce v létě = 70 000 lx a více.
4
PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH VELIČIN - 1 VŽDY SE MĚŘÍ OSVĚTLENÍ EV [lx] = INTENZITA OSVĚTLENÍ OSTATNÍ VELIČINY JE NUTNÉ VYPOČÍTAT Osvětlení měříme pomocí LUXMETRŮ Součásti měřicích přístrojů: ● Detektory selektivní - citlivost je funkcí (fotonky, fotonásobiče, fotodiody, fotoodpory, fototranzistory, fotografické desky, lidské oko) ● Detektory neselektivní - citlivost není funkcí (termočlánky, bolometry, apod.) ● Světelné etalony (fotometrické žárovky) Jen u některých přístrojů. ● Zařízení pro porovnání osvětlení či dosažení stejného osvětlení. Jen u některých přístrojů.
LUXMETR TESTO 545 5
PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH VELIČIN - 2 MĚŘENÍ SVÍTIVOSTI ZDROJE IV [cd] Měří se osvětlení EV [lx], svítivost IV [cd] se počítá.
IV
dΦV EV dS dω dω
● Subjektivní fotometry Porovnávají osvětlení EV [lx] referenční destičky světelným etalonem s osvětlením EV [lx] jiné destičky měřeným zdrojem. Destičky bývají sádrové, mléčné sklo … Osvětlení etalonem lze měnit regulací příkonu, zacloněním etalonu, klínovým filtrem, či změnou vzdálenosti etalonu od destičky. Příklady subjektivních fotometrů: Lummerův - Brodhunův fotometr Fotometrická kostka (s fotometrickou kostkou), Weberův I a II světelné svazky fotometr (s fotometrickou kostkou)...
6
PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH VELIČIN - 3 ● Objektivní fotometry Přímé měření osvětlení definované plochy pomocí fotočlánků po kalibraci. MĚŘENÍ SVĚTELNÉHO TOKU ZDROJE V [lm] Měří se osvětlení EV [lx], svítivost IV [cd] se počítá. 1. metoda: Měřené svítivosti IV [cd] násobíme V IV d -1 příslušným prostorovým úhlem d [sr ] a sečteme 2. metoda: Měřený zdroj Z se vloží do Ulbrichtova kulového fotometru s matným bílým vnitřním povrchem. Mnohonásobnými odrazy je osvětlení uvnitř koule rovnoměrné a úměrné světelnému toku zdroje. Měří se intenzita osvětlení okénka O, odcloněného stínítkem S, a to subjektivně, nebo objektivně (připojením luxmetru). Metoda je efektivnější než 1. metoda. Ulbrichtův fotometr
7
PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH VELIČIN - 3 MĚŘENÍ JASU ZDROJE LV [cd.m-2] ● Jas je svítivost zdroje IV [cd] vztažená na kolmou jednotkovou plochu S [m2].
dIV LV dScosα
● Svítivost IV [cd] se určuje pomocí metod „Měření svítivosti“, viz subjektivní a objektivní fotometry, kde vycházíme z naměřených hodnot osvětlení EV [lx].
dΦV EV dS IV dω dω
MĚŘENÍ (INTENZITY) OSVĚTLENÍ EV [lx] ● Patří k nejčastějším měřením v technice prostředí ● Je základem měření všech uvedených fotometrických veličin ● Provádí se PŘÍMO luxmetry Lux-Meter 0500 firmy Testoterm Rozsahy: 02000 Lx, 200020 000 Lx, 20000100 000 Lx. Senzor s Si diodou. 8
