Методи вимірювання світлового потоку.Фотометри.

Розподільчий фотометр

Вимірювання величини світлового потоку засновується на співвідношеннях, що зв’язують силу світла джерела із світловим потоком, який це джерело випромінює в межах деякого тілесного кута:

Ф=∑ I w, де Ф- світловий потік джерела світла; І - сила світла джерела;

w - тілесний кут, в межах якого світловий потік розповсюджується.

Найбільш простим вирішенням цього завдання є метод зональних тілесних кутів, коли весь простір розбивається на зональні тілесні кути, в межах яких сила світла може бути прийнята постійною величиною.

Тоді

Ф=2p∑І (cos a1 - cos a2).

Виміряти силу світла джерела в різних напрямах й побудувати криву сили світла можна за допомогою розподільчого фотометра, названого так тому, що за його допомогою можливо визначити розподіл сили світла джерела в просторі.

Ідея розподільчого фотометра полягає в побудові кривої сили світла залежно від кута спостереження. Суть такого пристрою полягає в тому, що він дає змогу направляти від джерела випромінювання до приймача випромінювання промені світла з різних напрямів, на основі цих вимірів і будується крива сили світла.

Виконати таке завдання можливо різними методами, у зв’язку з чим запропоновано декілька пристроїв для розподільчих фотометрів, які дещо відрізняються один від одного.

Метод розрахунку світлового потоку за допомогою зональних тілесних кутів по кривих розподілу сили світла в просторі є найбільш точним.

Для розрахунку може буди застосований один із способів розбивки простору на тілесні кути. Причому один з них засновується на розбивці всього

простору за зонами рівним значенням кута a=const. Так, якщо вибрати число зон n= 18, то a=10 градусів. Зональні тілесні кути будуть визначатися за формулою

w=2p(cos a₁- cos a₂).

Другий спосіб полягає у розбивці всього простору на зони з рівними значеннями тілесних кутів w =4p/n =const. Для цього необхідно розрахувати значення кутів a для середин тілесних кутів усіх зон і значення сили світла цієї зони обирати для цих кутів. Тоді потік світла визначиться як

Ф= ∑ І w =4p/n ∑І.

Для зміни напряму променів застосовують різні оптичні пристрої: дзеркала, призми тощо. Вони складають одну з основних чистин пристрою.

Улаштування одного з існуючих розподільчих фотометрів наведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5 – Розподільчий фотометр

Джерело світла залишається нерухомим. Навколо нього може обертатися дзеркало З1, яке закріплене на кронштейні. Промінь світла від джерела, відбиваючись від дзеркала З1, направляється на додаткове дзеркало З2, і далі на приймач випромінювання. Вісь обертання дзеркала направлена вздовж лінії ОO. Крім того місце розташування джерела світла і центр кола, який описує дзеркало З1, обов’язково співпадають. Прямі промені від джерела світла до

приймача перегороджуються непрозорим чорним екраном (в-в). На підшипнику обертання кронштейну розташовується коло з вказаними значеннями кутів обертання. До плеча кронштейна прикріплена стрілка, за допомогою якої відраховуються напрями сили світла, що визначається.

Позаду джерела світла, навколо дзеркала і перед приймачем ставлять чорні екрани для захисту від стороннього світла.

Розміри дзеркала вибирають такими, щоб на фотоелемент попадали всі промені від світних частин світлового пристрою.

Експеримент засновується на можливості виміряти силу світла І джерела у великій кількості n заздалегідь обраних напрямів і, враховуючи справедливим допущення, що всередині достатньо малих тілесних кутів w, побудованих навколо кожного з цих напрямів, сила світла джерела практично постійна. Повний світловий потік можна розрахувати, додаючи всі Ф і за умови, що додаток всіх тілесних кутів заповнює простір без пропусків.

Математично це виглядає так:

Ф =∑ І і wі; ∑ w= 4p.

Кількість зональних тілесних кутів, на які треба розбити увесь простір, залежить від форми кривої розподілу сили світла і від похибки, яку можна допустити при визначенні світлового потоку. Для джерел світла, які мають симетричну криву розподілу сили світла, виміри виконують два рази для двох значень кутів b які відрізняються один від одного на 90 градусів, а далі результат усереднюється.

Для несиметричних джерел світла будується сімейство кривих сили світла для різних значень кутів, а далі значення сили світла кожної зони приймається середньоарифметичним значенням для всіх значень кутів b.

Для вимірювання світлорозподілу симетричних вогнів прожекторів з вузьконаправленим світлорозподілом потрібно дотримуватися великих відстаней між джерелом та приймачем. Ця відстань повинна бути більше дистанції формування пучка променів. Дистанцію формування пучка променів

світлового потоку можна визначити, якщо повільно віддалятися від нього та спостерігати вихідне вікно джерела випромінювання. На відстані, яка дорівнюється дистанції формування пучка променів все вихідне вікно буде сприйматися рівнояскравим.

Для сигнальних вогнів та джерел типу автомобільних фар замість подовжніх кривих сили світла будують криві рівних значень сили світла в прямокутній системі координат. Для таких досліджень варто застосовувати пристрій, який називається гоніофотометр (рис.3.6)

Рис. 3.6 – Розподільча поворотна підставка. Гоніофотометр

Інтегруючий фотометр

Визначення світлового потоку джерела випромінювання на підставі виміру його сили світла в різних напрямах потребує великої кількості часу й необхідності математичного розрахунку методом зональних тілесних кутів всього світлового потоку, що випромінює джерело.

У багатьох випадках для визначення світлового потоку ламп або світильників віддають перевагу використанню більш простому способу. Одним з таких способів є використання інтегруючого фотометра, який являє собою

порожню всередині сферу, розміри якої обирають залежно від габаритів джерела світла або світильника, його світлового потоку й потужності.

Для ламп розжарювання застосовують інтегруючі сфери діаметром від 1 до 2 метрів. Для світлових приладів такі сфери мають діаметр до 3 метрів і більше.

Внутрішня поверхня сфери покрита білою матовою фарбою, яка дифузно розсіює світло. У сфері робиться вікно, крізь яке відводиться на розташований поза сферою світловимірювальний прилад невелика частка світлового потоку, що повинна бути пропорційною всьому світловому потоку джерела випромінювання.

3.3. Методи вимірювання освітленості. Люксметри Освітленість як поверхнева щільність світлового потоку не залежить від світлових властивостей освітлюваної поверхні. Вимірювання освітленості найбільш поширено у світлотехніці, бо однозначно характеризує освітленість робочого місця та ефективність роботи освітлювальної установки.

Цілий ряд нормативних документів встановлює мінімальні норми освітленості для кожного виду робіт і строгий порядок перевірки рівня освітленості на кожному робочому місті за допомогою спеціальних переносних пристроїв – люксметрів. Сучасні фотоелектричні люксметри складаються із селенового фотоелемента, чутливого гальванометра, шкала якого градуйована в люксах, і елементів живлення. У ряді випадків до люксметра входять декілька змінних нейтральних світлофільтрів.

При вимірюванні фотоелемент люксметра розміщують в те місце, де вимірюється освітленість, причому так, щоб його світлочутлива поверхня співпадала з контрольованою площиною.

Звичайно люксметр має декілька шкал, що використовуються при вимірюванні різних рівнів освітленості. Виведений зовні тумблер переключення опору, що входить в електричний ланцюг люксметра, вказує, якою із шкал треба користуватися.

Селенові люксметри

Люксметр Ю -16. Будова люксметрів дуже проста. Він складається із селенового фотоелемента, який має найбільше переваг порівняно з іншими ФЕ.

Селеновий фотоелемент розміщують у рамці, частина поверхні якої прикрита шторкою, за допомогою якої можна в невеликих межах змінювати площу робочої поверхні ФЕ, що є необхідним при регулюванні чутливості приймача при перевірках.

Для додаткового розширення меж вимірювання служать нейтральні світлофільтри, виготовлені з молочного скла з коефіцієнтом пропускання 0,01 – 0,1.

У зв’язку з тим, що вимірювання освітленості проводиться для різних типів ламп (ЛР, ДРЛ, ДНаТ тощо), а градуювання проводиться для денного світла, то для розрядних ламп необхідно ввести додатковий коефіцієнт на поправку.

Похибка вимірювання таким люксметром складає 8-10 %, тому його використовують тільки для технічних цілей.

Люксметр Ю -17 відрізняється від Ю-16 формою фотоелемента, він має вигляд кола. Поверхня фотоелемента перекрита молочним склом спеціально скоригованим для усунення впливу кута падіння випромінювання на результати вимірювання.

При вимірюванні фотоелемент протягом декількох хвилин розміщується на поверхні в тому місці, де вимірюється освітленість, причому так, щоб його

світлочутлива поверхня співпадала з площиною вимірювання і проводять відлік за гальванометром. Шкала всіх люксметрів проградуйована в люксах. На рис. 3.12 наведено електричну схему люксметра.

Рис. 3.12 – Електрична схема люксметра

Рис. 3.13 –Будова тубус-фотометра

Візуальні методи вимірювання освітленості засновані на порівнянні яскравості полів порівняння, одне з яких еталонне і створюється внутрішнім джерелом випромінювання, а друге – досліджуване і створюється яскравістю дифузної поверхні, яка освітлюється досліджуваним зразком.. Будова тубус-фотометра наведена на рис. 3.13.

Циліндрична труба діаметром 30см з одного кінця має електричну лампочку розжарювання, сила світла якої 1-2кд. Всередині труби може розташовуватися молочне скло С. Змінюючи відстань між ним і електричною лампочкою, можна отримати різні освітленості цього молочного скла. З другої сторони труби знаходиться лінза D, яка дозволяє спостерігачу бачити через фотометричний кубик Е молочне скло С. Око спостерігача розташоване в точці F. При переміщенні скла С за допомогою рукоятки G спостерігач бачить його, як одне із полем порівняння у фотометричному кубику з різною яскравістю. Друге поле порівняння створюється окремою випробувальною платівкою, яку спостерігач бачить крізь той же кубик Е і призму повного внутрішнього відбиття Н. Для того щоб скло С освітлювалось тільки електричною лампою розжарювання та на нього не попадали промені, що відбиваються від стінок труби, уздовж неї встановлені поперечні щитки з отворами. Зі сторони, де знаходиться електрична лампа розташовано реостат К. Він дозволяє за допомогою поворотів рукоятки L змінювати силу струму в ланцюзі, що живить лампу. Трубка М, яка має невелику лінзу, дозволяє встановлювати електричну лампочку в правильне положення по відношенню до шкали приладу N. Шкала приладу N освітлюється світлом від лампочки, відбитим дзеркалами Р₁ і Р₂. На шляху хода променів від молочного скла до ока спостерігача біля лінзи D можуть розміщуватися сірі поглиначі S₁ S₂.

Прилад з однієї сторони має циліндричну трубку U. На неї надівається насадка для вимірювання освітленості об’єкта, що визначається. Через трубку U спостерігач бачить молочне скло МС1, яке і є одним з полів порівняння через декілька лінз, що розташовані на шляху хода променів. Ці лінзи дають дійсне зображення молочного скла МС1 в місці оптичного контакту призм. Лінза D також дає зображення в тому ж місці. Зовнішнє поле порівняння створюється молочним склом МС1, що освітлюється зовнішнім досліджуваним джерелом світла ДС1. Випромінювання від МС1, відбившись від дзеркала, надходить на фотометричний кубик. Друге поле порівняння створюється яскравістю

рухомого молочного скла С, яке освітлюється внутрішнім джерелом світла -електричною лампочкою.

Яскравість молочного скла МС1 пропорційна освітленості Е_1.

Яскравість молочного скла С пропорційна силі світла джерела – електричної лампочки і зворотно пропорційна квадрату відстані між джерелом і молочним склом.

Нейтральні світлофільтри служать для розширення меж вимірювання.

Li=—Cww3);

E (t

p MC1 HC1 3 I₂

L= (t t);

2 pl2₂ MC2 HC2

L₁=L₂;

E₁ I₂

(t t r)= (t t);

p MC1 HC1 3 pl2₂ MC2 HC2

Itt

E₁ = ₂2 (MC2 HC2); l2 tMC1tHC1r3

E₁=C I₂/l²₂. Для визначення постійної величини С перед початком вимірювання

проводять калібрування фотометра. Для цього на деякій відстані від фотометра

розміщують джерело світла ДС1 з відомим значенням сили світла І₁.

Проводячи регулювання відстані від внутрішньої лампи ДС2 до молочного скла

МС2, добиваються фотометричної рівноваги і проводять розрахунок за

формулою:

С=І₁1₂²/І₂1₁².

3.4. Методи вимірювання яскравості. Яскравоміри

Яскравість характеризує світність поверхні в деякому напрямку, необхідність її вимірювання виникає досить часто. Завдання такого роду можуть бути дуже різноманітні. По-перше, це вимірювання яскравості джерела світла як досить протяжних розмірів (яскравість неба), так і досить малих (нитка лампи розжарювання). По-друге, бувають випадки, коли треба

визначити яскравість освітленого предмета, розміри якого можуть бути самими різноманітними, а поверхня мати неоднорідну структуру, тоді завдання зводиться до вимірювання яскравості малої ділянки.

Безпосередньо вимірювання яскравості візуальним методом шляхом порівняння досліджуваної яскравості з відомою зустрічається на практиці рідко (прикладом може служити оптична пірометрія). Інші методи вимірювання можна розділити на дві групи.

До першої належать завдання, коли треба визначити яскравість заданої точки джерела або, точніше, середню яскравість площадки джерела, достатньо малих розмірів, щоб яскравість в її межах мало змінювалась. У таких випадках говорять про локальну яскравість.

До другої групи завдань належить вимірювання яскравості, яка постійна впродовж поверхні джерела, а також вимірювання середнього в межах джерела значення яскравості. Тоді говорять про габаритну яскравість.

Пристрої, які служать для визначення яскравості, називаються яскравомірами.

Для того, щоб виміряти яскравість, слід згадати, який існує зв’язок між яскравістю та іншими світловими величинами, наприклад силою світла, яка сама вимірюється через освітленість. Таким чином, треба знайти вимірювальний пристрій, який дає змогу встановити зв’язок між яскравістю та освітленістю. Сила світла джерела визначається одним з відомих способів і труднощів тут не виникає. Але це не можна сказати про площу проекції джерела, визначення якої в деяких випадках є непростою справою.

Досить часто користуються способом, який зв’язує яскравість пучка променів з потоком випромінювання. Виділити для вимірювання яскравості достатньо малу площадку на поверхні джерела звичайно неможливо. Тому в таких випадках створюють за допомогою об’єктива зображення на екрані. В екрані робиться отвір, за яким встановлюється приймач випромінювання. При необхідності за отвором можна встановити матове скло або лінзу для більш рівномірного розподілу випромінювання по поверхні приймача. Освітленість

зображення пропорційна яскравості джерела, а потік, що пройшов через отвір, є пропорційним яскравості, середньої по поверхні джерела.

На рис. 3.14 показана принципова схема простого яскравоміра. Однією з найважливіших його частин є ахроматичний об’єктив (Об), який зображує ділянку світної поверхні на світлочутливій поверхні а'б' фотоелектричного приймача, що знаходиться за отвором в непрозорому екрані Дф. Приймач має вимірювальний пристрій, який показує значення, пропорційне світловому потоку, що падає на поверхню приймача:

L=Ф /G= k n, де k- коефіцієнт пропорційності,

n – відлік за шкалою вимірювального пристрою.

Рис. 3.14 – Принципова схема найпростішого яскравоміра

Щоб користуватися таким приладом, його слід проградуювати, тобто знайти відлік n₀ за відповідною відомою яскравістю L₀. Тоді можна записати:

L/L₀=n/n₀.

Така схема має недоліки. Вона потребує, щоб поверхня, яскравість якої треба визначити, знаходилась на певній відстані від яскравоміру, щоб зображення попадало на отвір екрану Дф. Ця вимога не завжди може бути виконана. Крім того слід враховувати можливу нерівномірність чутливості фотоприймача в різних точках його поверхні.

Одна з можливих схем удосконаленого яскравоміра подана на рис. 3.15.

Рис .3.15 – Оптична схема яскравоміра

Призначення основних елементів оптичної системи яскравоміра.

Об'єктив 1 створює зображення досліджуваної ділянки поверхні А в площині польової діафрагми Д. Оптична вісь яскравоміра наводиться на досліджувану ділянку поверхні за допомогою візирного пристрою, що складається з окуляра 2, візирної сітки 4 і напівпрозорого дзеркала 5. Нейтральні фільтри 3 служать для захисту ока спостерігача при вимірі великих яскравостей. Апертурна діафрагма Д разом з польовою діафрагмою Д₁ формує пучок, безліч променів якого не залежить від положення об'єктива. Польова лінза 6 створює зображення апертурної діафрагми на робочій площині приймача випромінювання. Нейтральні світлофільтри 7,8 забезпечують можливість розширення меж виміру. На дисках нейтральних світлофільтрів є вільні отвори.

Кольорові світлофільтри 9 служать для виділення вузької області спектра (наприклад, при вимірі температури), 10 - фільтр, що коригує і приводить спектральну чутливість приймача до функції V(l) - нормалізованої функції відносної спектральної світлової ефективності випромінювання.