1. No category

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU
TEKNIIKKA
FYSIIKAN LABORATORIO
TYÖOHJE
11
V1.12
5.2002
Fotometrisia mittauksia
1. Työn tavoite
Työssä perehdytään valoenergian mittaamiseen eli fotometriaan. Samalla saadaan käytännön tuntumaa valotekniikassa tärkeisiin energiasuureisiin ja niiden mittayksiköihin.
2. Teoriaa
Kun hehkulamppuun syötetään tietty sähköteho, tämä teho siirtyy
kuumasta hehkulangasta säteilynä pois. Säteily on enimmäkseen
infrapunasäteilyä, jota ei nähdä mutta joka aistitaan lämpönä. Siten
näkyvän valon säteilyteho on vain pieni osa kokonaissäteilytehosta.
Lampusta lähtevää näkyvän valon kokonaismäärää kuvaa suure
valovirta , jonka mittayksikkö on lumen (lm). Valovirtaa käytetään
ilmaisemaan lamppujen valontuottoa.
Valovoima I taas kuvaa valolähteen tiettyyn avaruuskulmaan 
säteilemää valoa. (Avaruuskulmasta on kerrottu tarkemmin työohjeen
lopussa.) Valovoiman mittayksikkö on kandela (cd). Valovoima saadaan
jakamalla lampun valovirta avaruuskulmalla:
I


(1)
Mitä enemmän valoa (lumeneita) lamppu tuottaa, sitä suurempi on
valovoima, jos lampun säteilykulma pysyy samana. Toisaalta, jos lamppu
kohdistaa valonsa pienemmälle alueelle, on valovoima suurempi, vaikka
lampun tuottama valovirta lumeneina olisi sama. Huomaa, että
valovoimalla on sama tunnus kuin sähkövirralla I. Asiayhteydestä
selviää, mitä I:llä kulloinkin tarkoitetaan.
Kolmas valaistukseen liittyvä suure on valaistusvoimakkuus E, joka
kuvaa pinnalle saapuvan valovirran määrää pinta-alayksikköä kohti.
Valaistusvoimakkuuden yksikkö on luksi (lx). Yksi luksi on valaistusvoimakkuus, jonka yhden lumenin valovirta tuottaa jakautuessaan
tasaisesti yhden neliömetrin alalle. Valaistusvoimakkuus pinnalla on sitä
pienempi, mitä kauempana pinta on valolähteestä. Valaistusvoimakkuus
on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön.
Valaistusvoimakkuus on siis valovirta jaettuna pinta-alalla eli
 I 
E 

A
A
A
r2  I ,
A
r2
I
missä r on lampun ja valaistun alueen välinen etäisyys.
(2)
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU
TEKNIIKKA
FYSIIKAN LABORATORIO
TYÖOHJE
21
V1.12
5.2002
3. Työn suoritus
Koejärjestely:
uA
Valokenno
Lamppu
Optinen penkki
r
lx
Valaistusmittari
V 5.2002
Kuva 1. Valokennon ja valaistusmittarin vertailu.
Tehtävä 1. Tutkitaan aluksi, miten valokennon (vk) synnyttämä
sähkövirta Ivk on riippuvainen valaistusvoimakkuudesta E. Valaistusvoimakkuus mitataan valaistusmittarilla (luksimittarilla).
Lampun kytkentä:
Huom! Tässä työssä on ehdottomasti käytettävä turvajohtimia.
I
Lamppu
230
VAc
U
T1
T
T
3
2
Tämä osa voi sijaita
sisäänrakennettuna
pöydässä
V 5.2002
Kuva 2. Lampun kytkentä.
T1 = muuntaja 230V/12V,
T2 = säätömuuntaja 0-260V
T3 = suojaerotusmuuntaja 230V/230V
I = virtamittari
U = jännitemittari
Lamppuun syötetään aluksi tietty jännite (enintään 12 V) Havaitaan E
ja Ivk. Sitten muutetaan kennon ja lampun välistä etäisyyttä ja
havaitaan uusi arvopari E, Ivk. Otetaan näitä arvopareja useita, esim. 5
tai enemmän ja piirretään niiden perusteella kuvaaja koordinaatistoon,
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU
TEKNIIKKA
FYSIIKAN LABORATORIO
TYÖOHJE
31
V1.12
5.2002
jossa E on vaaka-akselilla ja Ivk pystyakselilla. Piirretään pisteistöön
tasoitettu suora ja lasketaan sen fysikaalinen kulmakerroin
mittayksiköineen. Tämän kuvaajan ja kulmakertoimen avulla
valokennoa voitaisiin käyttää valaistusmittarina. Jos huoneessa on ollut
taustavaloa, suora ei kulje origon kautta.
IVk
(uA)
IVk=I Vk(E)
E
(lx)
V 5.2002
Kuva 3. Valokennon virta valaistusmittarin lukeman funktiona
Tehtävä 2. Tutkitaan, miten lampun valovoima I L riippuu lampun
ottamasta sähkötehosta. Mitataan lampun jännite U ja sen kuluttama
virta I ja lasketaan teho P = UI.
Lampun valovoima I L aiheuttaa etäisyydellä r valaistuksen E. Muutetaan lampun jännitettä sopivin portain aivan kirkkaasta niin himmeäksi
kuin valaistuksen mittaaminen on mahdollista. Mitataan valaistusmittarilla valaistusvoimakkuus kussakin tapauksessa. Lasketaan kutakin
valovoimakkuutta vastaava valovoiman arvo kaavasta I  E  r2 , ja
piirretään kuvaaja, jossa valovoima on lampun sähkötehon funktiona.
I
(cd)
I=I(P)
P
(W)
V 5.2002
Kuva 4. Lampun valovoimakkuus sen ottaman sähkötehon funktiona.
Tehtävä 3. Tutkitaan lampun antamaa valaistusta eri suunnissa.
Kierretään lamppua pystyakselin ympäri sopivin portain ja mitataan
valaistusvoimakkuus eri asennoissa. Tässä mittauksessa lampun ja
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU
TEKNIIKKA
FYSIIKAN LABORATORIO
TYÖOHJE
41
V1.12
5.2002
valaistusmittarin kennon välinen etäisyys pidetään vakiona. Lasketaan
etäisyyslain I  E  r2 mukaisesti valovoima lampun eri asennoissa ja
piirretään mm-paperille valonjakautumiskäyrä, jossa kullakin
kääntymiskulmalla pisteen etäisyys origosta vastaa valovoimakkuutta.
Valovoima-asteikko piirretään vaaka-akselille näkyviin. Kuvaaja ei
yleensä ole täysin symmetrinen.
o
80 60o
35o
15o
0o
I (cd)
V 5.2002
Kuva 5. Erään lampun valonjakautumiskäyrä
Ohjeita: Tehtävissä 1. ja 2. lamppu pidetään asennossa 0. Lampun ja
kennojen välinen etäisyys on aina valittava sopivaksi. Jos ne ovat liian
lähellä toisiaan, valaistus on voimakas, mutta kennojen asemat
aiheuttavat epätarkkuutta. Jos taas kennot ovat kovin kaukana
lampusta, kennojen virtaa pienillä kirkkauksilla on mahdoton mitata.
Sama koskee lamppuun syötettävää jännitettä. Se on myös valittava
sopivaksi aina tilanteen mukaan. Huomaa, että valaistushavaintoihin
voivat vaikuttaa taustavalon lisäksi huoneessa olevat vaaleat,
heijastavat pinnat. Muista, että lamppu kuumenee nopeasti ollessaan
päällä. Varo siis ettet saa palovammaa kuumasta lampusta.
____________________________________________________________________
Avaruuskulma on suure, joka kertoo, kuinka suurena jokin pinta näkyy.
Jos pallon säde on r, sen pinnalla oleva pinta-ala A näkyy keskipisteestä
avaruuskulmassa  = A/r2. Avaruuskulman yksikkö on steradiaani (sr),
jota ei kuitenkaan tarvitse kirjoittaa näkvyiin, koska kyseessä on
dimesioton suure. Esimerkiksi täysi avaruuskulma on pallon pinta-ala
jaettuna säteen neliöllä, eli 4πr2/ r2 = 4π.
r
ω
A