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Misura delle grandezze fotometricheMisura delle grandezze fotometriche

Corso di Fisica Tecnica AmbientaleCorso di Fisica Tecnica AmbientaleIlluminotecnica: Illuminotecnica: misura delle grandezze fotometrichemisura delle grandezze fotometriche

La misura di illuminamentoLa misura di illuminamentoPer misurare l’illuminamento si utilizza uno strumento chiamato luxmetro.Per la misura si impiega una tecnica fotoelettrica, ossia la luce incide suun ricettore costituito di silicio (materiale semiconduttore fotovoltaico) eun ricettore costituito di silicio (materiale semiconduttore fotovoltaico) egenera una corrente misurabile in un circuito di misura attraverso unmicroamperometro (risoluzione anche di 10-14A).

La corrente generata risulta proporzionale alla quantità di energialuminosa incidente e quindi la sua misura conduce, medianteq ,opportune scale di conversione, alla misura dell’energia luminosa.


La misura di illuminamentoLa misura di illuminamento

Il segnale in microcorrente generato viene amplificato attraverso unamplificatore con uscita in tensione e successivamente viene tradotto inamplificatore con uscita in tensione e successivamente viene tradotto insegnale in corrente da un convertitore tensione - corrente (trasporta ilsegnale senza perdite significative anche con cavi lunghi).

Per descrivere l’efficienza spettrale del flusso luminoso del campo difrequenze tra 380nm e i 780nm, il fotometro deve avere una rispostaall’energia luminosa quanto più vicina alla curva fotopica di sensibilitàall’energia luminosa quanto più vicina alla curva fotopica di sensibilitàrelativa V(λ), ovvero deve simulare il più possibile l’occhio umanonormalizzato dal punto di vista fotometrico.

Questo si realizza impiegando dei filtri effettuati sovrapponendo deglistrati colorati in modo tale da ottenere una risposta spettrale vicina allacurva V(λ).


La misura di illuminamentoLa misura di illuminamentoLe cause di errore nelle misure di illuminamento sono le seguenti:

A. Scostamento tra la curva di funzionamento dello strumento e quellad ll' hi i i i f t i P t bilit t t tit it ddell'occhio in visione fotopica. Per poter abilitare uno strumento, costituito dauna cellula fotoelettrica e da un microamperometro ad eseguire misurefotometriche di illuminamento, si dovrà verificare prima di ogni altra cosa chela sensibilità spettrale del fotoelemento sia quanto più possibile vicina allala sensibilità spettrale del fotoelemento sia quanto più possibile vicina allacurva di visibilità dell'occhio medio internazionale. In pratica è possibileraggiungere apprezzabili risultati con l'impiego di particolari filtri da disporresull'elemento fotosensibile Del fattore di trasmissione di tali filtri si tienesull elemento fotosensibile. Del fattore di trasmissione di tali filtri si tieneconto di solito nella fase di taratura dello strumento.

B Difetti di linearità del rapporto illuminamento-corrente dell'elementoB. Difetti di linearità del rapporto illuminamento corrente dell elementofotosensibile; in generale gli scarti di linearità aumentano con l'aumentaredella resistenza esterna e dell'illuminamento. Il pregio degli strumenti chemantengono lineare tale rapporto è quello di poter disporre di un'unica scalamantengono lineare tale rapporto è quello di poter disporre di un unica scaladi lettura, uniforme per diversi tempi di misura;



C. Variazioni di temperatura: forti scostamenti dalla temperatura di taratura,influenzano la resistenza interna del fotoelemento e l'esattezza delle misurepuò risentirne soprattutto quando si opera con deboli illuminamenti e fortipuò risentirne, soprattutto quando si opera con deboli illuminamenti e fortiresistenze di galvanometro. Oltre i 50°C è possibile danneggiareirrimediabilmente il fotoelemento e per questo nei Laboratori di Misura soventele teste fotometriche sono termostatate con elementi Peltier;le teste fotometriche sono termostatate con elementi Peltier;

D. Inclinazione del fascio di luce incidente rispetto alla verticale: la taratura deiluxmetri viene sempre effettuata con luce che colpisce perpendicolarmente ilp p p ppiano della cellula; il loro impiego in condizioni differenti di esposizione sitraduce quindi in un errore tanto più grave quanto maggiore è l'angolo diinclinazione dei raggi luminosi. Nei luxmetri l'errore dovuto all'inclinazione delggfascio di luce incidente non è trascurabile a partire da angoli prossimi a 45°C.Si è ovviato all'inconveniente ricorrendo ad opportuni dispositivi, chiamati“diffusori” od anche “correttori del coseno”che fanno parte integrantedell'elemento fotosensibile.



La misura viene corretta mediante filtri ed effettuando una taratura consorgenti campione in funzione della risposta spettrale (non coincidenzadella curva di sensibilità spettrale dello strumento con quella dell’occhiodella curva di sensibilità spettrale dello strumento con quella dell occhiomedio internazionale - CIE).

In figura si riporta la risposta di una cella fotovoltaica senza filtro di correzione (a),con filtro di correzione (b) in relazione alla curva (c) divisibilità dell’occhio mediointernazionale.



Per evitare l’effetto dell’angolo di incidenza (l’effetto è considerevole perangoli superiori a 45°) si utilizzano dei dispositivi (diffusori, o correttori delcoseno) che deviano i raggi luminosi in modo che incidanocoseno) che deviano i raggi luminosi in modo che incidanoperpendicolarmente al piano della cella fotovoltaica.


La misura dell’intensità luminosaLa misura dell’intensità luminosaLa misura dell’Intensità Luminosa viene effettuata confrontando l’intensitàLa misura dell Intensità Luminosa viene effettuata confrontando l intensitàda misurare con quella di una sorgente campione di riferimento di ugualecolore.

Banco Fotometrico di Lummer e Brodhun:• il confronto avviene tra gli illuminamenti di due superfici uniformementediff d ti d id ti h ill i t t t ( ll di idiffondenti ed identiche illuminate contemporaneamente (nella direzionenormale) dalla sorgente campione e da quella incognita;• le due sorgenti sono alle estremità di un banco fotometrico rettilineo eschermato lateralmente per evitare illuminamenti dovuti ad altre sorgenti(anche di luce riflessa) che non siano quelli in esame;• Le due superfici sono le due facce diffondenti di un disco piano circolarep pdisposto su un carrello che può muoversi in maniera rettilinea sulle guidedel banco• il banco fotometrico viene ancora utilizzato per la taratura dei luxmetriil banco fotometrico viene ancora utilizzato per la taratura dei luxmetri(si mette una testina fotometrica su un supporto mobile ad una estremità)


La misura dell’intensità luminosaLa misura dell’intensità luminosa



Vale la relazione:

Quando gli illuminamenti sulle due facce risultano uguali:

E’ quindi possibile dalla misura di RC e di RX ricavare il valore diilluminamentoIXilluminamentoIX.


La misura dell’intensità luminosaLa misura dell’intensità luminosaIl goniofotometro

Il goniofotometro valuta la distribuzione spaziale delle intensità luminose.Il goniofotometro orienta la superficie sensibile del fotometro

Il goniofotometro

Il goniofotometro orienta la superficie sensibile del fotometroperpendicolarmente alla direzione di misura, in maniera da mantenerecostante la distanza sorgente - fotocellula per ogni direzione (è come se lasuperficie sensibile del fotometro si muovesse sulla superficie di una sferasuperficie sensibile del fotometro si muovesse sulla superficie di una sferaimmaginaria di raggio uguale alla distanza di misura tra centro fotometricoe fotometro).

Si può calcolare l’intensità luminosa (I) usando la formula(dove cos=1).


La misura dell’intensità luminosaLa misura dell’intensità luminosaIl goniofotometroIl goniofotometro

Tecniche di misura:

a) Fotocellula fissa e sorgente che ruota attorno agli assi longitudinale e trasversale.

ènon è adatta per sorgenti influenzate dalla posizione

b) Sorgente fissa e fotocellula mobile suuna superficie emisferica.richiede molto spazio di misurarichiede molto spazio di misura.



Tecniche di misura

c) Sorgente che ruota intorno al proprio assec) Sorgente che ruota intorno al proprio asseverticale e fotocellula mobile su traiettoriasemicircolarei tt b) id l i i di irispetto a b) riduce lo spazio in una direzione

d) Sorgente mobile su traiettoria circolare o rotazioneintorno all’asse verticale con uno specchio che inviasempre la luce sulla fotocellula fissaha il vantaggio di richiedere grandi spazi solo in una direzione (ladistanza tra specchio e cellula varia tra 10 e 50 m)



Nell’uso del goniofotometro è opportuno osservare le seguentiprecauzioni: la cellula deve essere raggiunta solo dai raggi luminosiprovenienti dallo specchio, lo specchio deve essere sufficientementeprovenienti dallo specchio, lo specchio deve essere sufficientementegrande rispetto alle dimensioni della sorgente da misurare occorreconsiderare la riflessione e la polarizzazione dello specchio.

Goniofotometro adattoGoniofotometro adattoGoniofotometro adatto Goniofotometro adatto per il rilevamento della per il rilevamento della rappresentazione Crappresentazione C--



Parametri caratteristici del goniofotometro per misure di illuminamento



Valori consigliati dei parametri caratteristici del rilevatore fotometrico per misure diilluminamento dalla UNI 10671 e CIE 121.



Caratteristiche fondamentali dello specchio, da UNI 10671



Il gonioriflettometro:Serve per misurare il coefficiente di riflessione di una superficie per diversi angoli diinclinazione. Il dispositivo ottico di puntamento (A) che ruota tra 0÷90° invia sullazona di misura del campione l’intensità incidente Ii. L’intensità riflessa Ir è misuratada un fotoricevitore (B) mobile tra 90÷180°.Vale la relazione:

dove L è la luminanza misurata da (B), E è l’illuminamento della zona di osservazione e dl illuminamento della zona di osservazione e d è la distanza campione-dispositivo ottico di puntamento.

Un'applicazione pratica è data dallo studio della caratterizzazione dei manti stradali, per ilprogetto di impianti di illuminazione basati sul criterio delle luminanze


La misura della luminanzaLa misura della luminanzaPuò essere fatta per:• misura diretta (confronto di due luminanze)• misura indiretta dalla misura di altre grandezze (illuminamento) eg ( )dall’uso di formule di correlazione

Luminanzometro


La misura della luminanzaLa misura della luminanzaLuminanzometro

Lo schema generale di funzionamento di un luminanzometro è:

• un obiettivo che forma in uno specchio l’immagine del campo visivo conla zona di misura;

l l tt il filt lt l i il f t lti li t• la luce attraversa il filtro prescelto e colpisce il fotomoltiplicatore;• il resto dell’immagine è riflesso dallo specchio al sistema ottico adapertura variabile e raggiunge l’occhio dell’osservatore;• l’operatore vede quindi l’immagine con un cerchio nero (corrispondenteal filtro);• l’apertura definisce quindi esattamente la porzione di superficie entro lap q p pquale lo strumento valuta la luminanza media


La misura della luminanzaLa misura della luminanzaLuminanzometroLuminanzometro


La misura della luminanzaLa misura della luminanzaLuminanzometroLuminanzometro

In tabella sono riportati i campi di apertura dello specchio e la relativasensibilità dello strumentosensibilità dello strumento

Gli angoli di apertura sono scelti in funzione del misurando:

• per luminanza di punti e piccole superfici o di oggetti molto distanti si• utilizzano piccoli angoli di apertura (da 1/3° fino a 1°)

fi i iù i i l l li di 3°per superfici più ampie si sale sopra la soglia di 3°


La misura del flusso luminosoLa misura del flusso luminosoIl fl l i di t ò l l t ( i t i )Il flusso luminoso di una sorgente può essere calcolato (per integrazione)dalle intensità luminose misurate secondo le diverse direzioni, oppuremisurato direttamente attraverso un fotometro integratore (Sfera diUlbricht).

La sfera di Ulbricht è costituita da una lamiera metallica di diametromolto più grande rispetto alle dimensioni della sorgente luminosa damisurare (diametro > 3 m); la superficie interna è verniciata con vernicebianca opaca diffondente e non selettiva.bianca opaca diffondente e non selettiva.

La sorgente in misura viene sospesa al centro della sfera. A causa dellecontinue riflessioni l’illuminamento di ogni punto della superficie internacontinue riflessioni l illuminamento di ogni punto della superficie internadella sfera è costante e proporzionale al flusso totale emesso dallalampada.


La misura del flusso luminosoLa misura del flusso luminosoS ll f è ti t t t ttSulla sfera è praticata una apertura protettada un vetro opalino, dietro la quale è posto illuxmetro. La presenza di un schermo opacoimpedisce che la cellula sia illuminatadirettamente. Se la vernice è perfettamentediffondente e non selettiva, e gli accessori, gdentro la sfera hanno effetto trascurabile,allora l’illuminamento (E) sulla finestrella B(dovuto alla luce riflessa dalle pareti) è(dovuto alla luce riflessa dalle pareti) èdirettamente proporzionale al flusso totale(φ) emesso dalla lampada. Quindi:

K è una costante che dipende dalle caratteristiche del sistema e che sipdetermina per taratura (confronto con una sorgente campione a flussoluminoso noto).


La misura del flusso luminosoLa misura del flusso luminoso

La Sfera di Ulbricht viene utilizzata anche per la misura del coefficiente di riflessione diffusa:

La sorgente (L) irradia verso una porzione di sfera un flusso (φ). Una parte(ρ) viene diffusa dalla porzione di superficie della sfera ricoperta di vernicebi f di ifl i ( )bianca con fattore di riflessione (ρ).


La misura del flusso luminosoLa misura del flusso luminoso

Sull’apertura B l’illuminamento indiretto (S = superficie interna dellasfera) sarà:

Se si pone sulla superficie in questione un elemento di superficie concoefficiente ρ’ incognito e si introduce nella sfera uno schermo D cheimpedisce al flusso di raggiungere direttamente l’apertura Bimpedisce al flusso di raggiungere direttamente l apertura B

2,mE

1,mE


Variabili di influenza Variabili di influenza Luci parassiteLuci parassite

E’ indispensabile che il rivelatore fotometrico riceva esclusivamente la lucei di ( d ll hi ) d llproveniente direttamente (a mezzo dello specchio) dalla sorgente.

Non devono essere presenti nessun tipo di altre sorgenti luminose e nessuntipo di riflessione all’interno del laboratorio.

La luce parassita deve mantenersi sotto la soglia 0,5% del flusso luminosop g ,misurato.


Variabili di influenza Variabili di influenza Luci parassiteLuci parassite

Pareti, pavimenti e tutti gli apparecchi presenti in laboratorio( di i i f i di ill i i ) d i i i(condizionatori, fari di illuminazione) devono essere trattati con vernici ovelluti nero opaco (coefficiente di riflessione ≤3%), in modo da annullarequalsiasi tipo di luci parassite al suo interno.

Nel caso che la luce parassita non sia eliminabile, può essere sottratta alleletture eseguite sul raggio diretto (correzione della misura).g gg ( )


Variabili di influenza Variabili di influenza Temperatura dell’AmbienteTemperatura dell’Ambiente

La temperatura dell’ambiente in prossimità della lampada odell’apparecchio di illuminazione, deve essere mantenuta entro i 25±1°C.Per particolari lampade si può anche prendere come temperatura difunzionamento un altro valore, ricordandosi di indicarlo nel certificato dimisura.

La temperatura influenza notevolmente il flusso luminoso emesso dallaLa temperatura influenza notevolmente il flusso luminoso emesso dallasorgente luminosa.

Soprattutto per quanto riguarda le lampade fluorescenti in cui questoSoprattutto per quanto riguarda le lampade fluorescenti, in cui questoeffetto si accentua molto di più.


Variabili di influenza Variabili di influenza

Caratteristiche dell’Aria

Il movimento dell’aria in prossimità della sorgente luminosa influenza ilIl movimento dell aria in prossimità della sorgente luminosa, influenza il suo stato termico e quindi il flusso luminoso emesso dalla lampada.

I moti d’aria presenti nel laboratorio possono essere provocati dal sistemaI moti d aria presenti nel laboratorio possono essere provocati dal sistema di condizionamento, dalla rotazione degli assi del goniofotometro, e dai moti convettivi generati dal calore della sorgente.

La velocità dell’aria, misurata in prossimità dello stesso punto di misura della temperatura, in condizioni di funzionamento (assi del goniofotometro in rotazione, lampada accesa, e condizionatori funzionanti) deve essere inferiore a 0,2 m/s.


Variabili di influenza Variabili di influenza

Caratteristiche dell’Aria

L’aria deve essere priva di fumi polveri e vapori in grado di attenuare oLaria deve essere priva di fumi, polveri, e vapori in grado di attenuare o diffondere la luce che si vuole misurare.

L’umidità accentua notevolmente il fastidio prodotto dalle polveri presentiLumidità accentua notevolmente il fastidio prodotto dalle polveri presenti, pertanto deve restare compresa tra 45% e 55%.


Variabili di influenza Variabili di influenza Di t di MiDistanza di Misura

la goniofotometria si basa sulla legge dell’inverso del quadrato della distanzaàper calcolare l’intensità luminosa attraverso l’illuminamento.

La sorgente luminosa viene considerata puntiforme alla distanza di misura.g p

In realtà questo non è del tutto corretto, ci sono apparecchi con dimensioninon trascurabili, si rende necessaria una distanza di prova alla qualenon trascurabili, si rende necessaria una distanza di prova alla qualepossiamo considerare ancora puntiforme la sorgente luminosa.

una regola pratica con la quale si determina la minima distanza è la seguente: datauna regola pratica con la quale si determina la minima distanza è la seguente: dataL1, la lunghezza massima e L2, la larghezza massima dell’apparecchio da provare, laminima distanza di prova è uguale alla maggiore tra le seguenti: 5 volte la lunghezzao 15 volte la larghezza (con questo criterio l’intensità luminosa che si va a misurareo 15 volte la larghezza (con questo criterio l intensità luminosa che si va a misuraredurante la prova, avrà un errore massimo nell’ordine del 1%)


Variabili di influenza Variabili di influenza Alimentazione della Sorgente LuminosaAlimentazione della Sorgente Luminosa

Durante la misurazione la tensione assunta come riferimento è quella posta ai morsetti dell’alimentazione della sorgente luminosa Questa tensione deve esseremorsetti dell alimentazione della sorgente luminosa. Questa tensione deve essere pari alla tensione nominale della lampada o dell’alimentatore, nel caso sia presente. L’alimentazione della sorgente deve garantire:

àla stabilità della tensione, come accennato prima, seguendo per ogni tipo di lampada i valori di stabilizzazione della UNI 10671 (appendice C)

e deve essere mantenuta durante tutto lo svolgimento della prova la potenza e lae deve essere mantenuta durante tutto lo svolgimento della prova la potenza e la corrente adeguate per il carico da alimentare;

la stabilità della frequenza, UNI 10671 (appendice C) ;

una bassa distorsione armonica, UNI 10671 (appendice C);

i collegamenti elettrici per l’alimentazione del campione in esame, devono essere a b d d d l d d ù d lbassa impedenza, in modo da garantire una limitata caduta di tensione, non più del 0.5% della tensione nominale.


Variabili di influenza Variabili di influenza Incertezza

Le principali fonti di incertezza comuni alle misure fotometriche sono:

valore assoluto ed instabilità dell'alimentazione elettrica (in particolarevalore assoluto ed instabilità dell alimentazione elettrica (in particolarevariazioni della tensione e della frequenza di alimentazione);

instabilità della sorgente (in particolare variazioni del flusso emessoinstabilità della sorgente (in particolare variazioni del flusso emessodurante una accensione e tra accensioni successive);

disallineamento della sorgente nell'apparecchio rispetto alla condizione ;disallineamento della sorgente nell apparecchio rispetto alla condizione ;

deformazioni meccaniche della sorgente durante la misura;

disallineamento dei componenti ottici dell'apparecchio;disallineamento dei componenti ottici dell apparecchio;

disallineamento della sorgente rispetto alle condizioni ideali diorientamento nel sistema di misura.


Variabili di influenza Variabili di influenza Incertezza

valore assoluto ed instabilità della temperatura ambiente;

valutazione e correzione dell'influenza della luce parassita;valutazione e correzione dell influenza della luce parassita;

condizioni elettriche e termiche dell'alimentatore;

influenza degli strumenti di misura dei paramenti elettrici;influenza degli strumenti di misura dei paramenti elettrici;

influenza della lunghezza dei fili di collegamento e delle capacità parassite;

l ità d ll' i i i d ll tvelocità dell'aria nei pressi della sorgente;

polvere nell'ambiente;

condizioni di pulizia dei componenti ottici dell'apparecchio;

condizioni di taratura e classe della strumentazione elettrica;

condizioni di taratura e classe della testa fotometrica.

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