Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông của các nguồn sáng bất đối xứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN * - Nguyên Xuân Hoàng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN * - Nguyên Xuân Hồng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH QUANG THƠNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Hải Hƣng Hà Nội - 2013 LỜI CAM ĐOAN Nội dung luận văn đƣợc nghiên cứu nhằm giải vấn đề thực tiễn xác định quang thông phân bố quang thông không gian chiếu sáng nguồn sáng (bộ đèn) có cấu trúc bất đối xứng Bằng phƣơng pháp truyền thống đo quang thông cầu tích phân ta khơng làm đƣợc điều làm nhƣng kết đo khơng khơng xác Dựa sở lý thuyết đại lƣợng trắc quang mối liên hệ quang thông với đại lƣợng trắc quang khác, xây dựng phƣơng pháp thực nghiệm để xác định quang thông nguồn sáng bất kỳ, đặc biệt cho nguồn sáng có kích thƣớc lớn bất đối xứng Trong luận văn này, dƣới hƣớng dẫn TS Lê Hải Hƣng, nghiên cứu mặt lý thuyết, tiến hành đo đạc tính tốn quang thơng số đèn có phân bố trƣờng sáng bất đối xứng Phòng thí nghiệm Vật lý kỹ thuật ánh sáng trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong thời gian làm luận văn đƣợc tham quan tham gia kiểm định số công trình chiếu sáng thành phố Hải Phòng Tơi xin cam đoan nội dung đề tài luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình Các trích dẫn luận văn xác, trung thực thông tin công bố rộng rãi Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Hoàng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thày giáo TS Lê Hải Hƣng, cán giảng dạy Viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội, ngƣời tận tình giúp đỡ mặt để tơi hồn thành luận văn Tơi vơ cảm ơn thầy giáo, PGS TS Phùng Quốc Bảo, ngƣời trực tiếp truyền đạt kiến thức Vật lý cho suốt trình học tập hại bậc học đại học cao học mà mà ngƣời giới thiệu đến với thầy TS Lê Hải Hƣng PTN Vật lý kỹ thuật ánh sáng , Viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội, nơi tơi có điều kiện tiếp cận với lĩnh vực mới, Kỹ thuật ánh sáng, lĩnh vực có nhiều ứng dụng phát triển kinh tế đời sống Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô môn Quang học quang lƣợng tử thuộc khoa Vật lý Phòng đào tạo sau đại học , Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên- ĐHQG Hà Nội tạo điều kiện tốt cho tơi suốt thời gian học tập thực luận văn Cuối cùng, xin vơ cảm ơn gia đình ngƣời thân dành tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vƣợt qua khó khăn để hoàn thành luận văn Hà nội, ngày 04 tháng 12 năm 2013 Nguyễn Xn Hồng MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu 11 Bố cục luận án 11 Chƣơng 1: QUANG THÔNG TRONG HỆ THỐNG CÁC ĐẠI LƢỢNG TRẮC QUANG 12 1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐO ÁNH SÁNG 12 1.1.1 Trắc quang chủ quan 12 1.1.2 Trắc quang khách quan 13 1.2 NĂNG LƢỢNG BỨC XẠ, HÀM SỐ THỊ KIẾN, QUANG THÔNG 13 1.2.1 Năng lƣợng xạ 13 1.2.2 Hàm số thị kiến 14 1.2.3 Quang thông 18 1.2.4 Cƣờng độ sáng 19 1.2.5 Độ rọi 22 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP ĐO QUANG THÔNG CỦA NGUỒN SÁNG BẰNG CẦU TÍCH PHÂN (HAY ĐO QUANG THƠNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỘ RỌI) 25 2.1 QUẢ CẦU TÍCH PHÂN 25 2.2 TÍNH TỐN QUANG THƠNG 27 2.3 THỰC NGHIỆM ĐO QUANG THƠNG CỦA MỘT VÀI LOẠI BĨNG ĐÈN 31 2.3.1 Đo quang thông đèn sợi đốt Công ty Điện Quang 31 2.3.2 Đo quang thông đèn compact công ty Rạng Đông 31 2.4 SỰ BẤT LỰC CỦA QUẢ CÂU TÍCH PHÂN TRONG VIỆC ĐO QUANG THƠNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG KÍCH THƢỚC LỚN VÀ CĨ PHÂN BỐ SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG 32 2.4.1 Đo quang thông đèn LED Panel: 32 2.4.2 Đo quang thông đèn chiếu sáng đƣờng RAINBOW: 33 Chƣơng 3: ĐO QUANG THƠNG CỦA CÁC NGUỐN SÁNG CĨ TRƢỜNG SÁNG BẤT ĐĨI XỨNG 35 3.1 CÁC BIỂU ĐỒ CƢỜNG ĐỘ SÁNG 35 3.1.1 Hệ tọa độ Đề 35 3.1.2 Hệ tọa độ cực 36 3.1.2.1 Ba cách biểu diễn 36 3.1.2.2 Quan hệ tọa độ ba cách biểu diễn bắng tọa độ cực 37 3.2 ĐO VÀ VẼ CÁC BIỂU ĐỒ CƢỜNG ĐỘ SÁNG 39 3.2.1.Góc kế quang học 39 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động 40 3.3 ĐO VÀ TÍNH QUANG THƠNG CỦA BỘ ĐÈN DỰA VÀO BIỂU ĐỒ CHIẾU SÁNG CỦA NÓ 40 3.4 ĐO QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG THÔNG VÙNG 43 3.4.1.Vùng hệ số vùng 43 3.4.2 Quang thông vùng 44 3.4.3 Mô tả phép đo 46 3.4.4 Các kết đo 46 3.4.4.1 Bộ đèn 47 3.4.4.2 Bộ đèn LED panel 65 KẾT LUẬN 78 KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Vùng bƣớc sóng màu sắc tƣơng ứng quang phổ ánh sáng trắng 14 Bảng 1.2 Độ nhạy mắt trung bình ứng với bƣớc sóng khác vùng nhìn thấy 16 Bảng 1.3 Cƣờng độ sáng số nguồn sáng điển hình 21 Bảng 1.4 Quang thông số nguồn sáng thông dụng 22 Bảng 1.5 Một vài giá trị độ rọi điển hình 24 Bảng 2.1 Kết đo quang thông số đèn sợi đốt công ty Điện quang 31 Bảng 2.2 Kết đo quang thông số đèn compact công ty Rạng Đông 31 Bảng 2.3 Giá trị quang thông đèn LED panel vị trí khác 33 Bảng 2.4 Giá trị quang thông đèn RAINBOW vị trí khác 34 Bảng 3.1 Quy tắc chuyển đổi tọa độ cách biểu diễn tọa độ cực 37 Bảng 3.2 Tính quang thơng đèn theo cơng thức (5) 42 Bảng 3.3 Mô tả vùng hệ số vùng cho góc 20, 50, 100 44 Bảng 3.4 Cƣờng độ sáng theo góc đèn RAINBOW 250W 47 Bảng 3.5 Quang thông vùng (00 → 50) (50 → 100) 51 Bảng 3.6 Quang thông vùng (100 → 150) (150 → 200) 52 Bảng 3.7 Quang thông vùng (200 → 250) (250 → 300) 54 Bảng 3.8 Quang thông vùng (300 → 350) (350 → 400) 55 Bảng 3.9 Quang thông vùng (400 → 450) (450 → 500) 56 Bảng 3.10 Quang thông vùng (500 → 550) (550 → 600) 58 Bảng 3.11 Quang thông vùng (600 → 650) (650 → 700) 59 Bảng 3.12 Quang thông vùng (700 → 750) (750 → 800) 60 Bảng 3.13 Quang thông vùng (800 → 850) (850 → 900) 62 Bảng 3.14 Quang thông vùng (900 → 950) (950 → 1000) 63 Bảng 3.15 Tính tổng quang thơng vùng 64 Bảng 3.16 Quang thông cho vùng đèn theo quy định CIE: 65 Bảng 3.17 Cƣờng độ sáng theo góc đèn LED panel 52W 66 Bảng 3.18 Quang thông vùng (00 → 100) (100 → 200) 69 Bảng 3.19 Quang thông vùng (200 → 300) (300 → 400) 71 Bảng 3.20 Quang thông vùng (400 → 500) (500 → 600) 72 Bảng 3.21 Quang thông vùng (600 → 700) (700 → 800) 74 Bảng 3.22 Quang thông vùng (800 → 900) (900 → 1000) 75 Bảng 3.23 Tính tổng quang thơng vùng 77 Bảng 3.24 Quang thông cho vùng đèn theo quy định CIE 77 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quang phổ ánh sáng trắng 14 Hình 1.2 Đƣờng cong thị kiến mắt ngƣời 18 Hình 1.3 Góc khối 19 Hình1.4 Để định nghĩa cƣờng độ sáng 20 Hình 1.5 Để định nghĩa độ rọi 22 Hình 1.6 Độ rọi trƣờng hợp phƣơng chùm sáng nghiêng góc với mặt đƣợc chiếu sáng 23 Hình 2.1 Quả cầu tích phân: 25 Hình 2.2 Phổ tán xạ BaSO4 25 Hình 2.3 Cầu tích phân đƣờng kính 2m hãng Science Lighting (Hoa Kỳ) chế tạo, đặt PTN Vật lý KTAS, ĐHBK Hà Nội 26 Hình 2.4 Quang phổ (a) tọa độ mầu loại đèn LED (b) 26 Hình 2.5 Bộ đèn chuẩn đƣợc chế tạo hãng Lighting Sciences (Arizona U.S.A), đặt PTN Vật lý KTAS, ĐHBK Hà Nội 29 Hình 2.6: Chứng kiểm định bóng đèn chuẩn đặt PTN Vật lý KTAS, ĐHBK Hà Nội 30 Hình 2.7 Ba vị trí đặt LED panel cầu tích phân để đo quang thơng 32 Hình 3.1 Bộ đèn pha biểu đồ chiếu sáng hệ tọa độ Đề 35 Hình 3.2 Ba cách biểu diễn hệ tọa độ cực 36 Hình 3.3 Quy ƣớc mặt phẳng (C, ) đèn tọa độ cực 37 Hình 3.4 Đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng đèn theo hệ (C-) (CIE 43-1979 Guide) (Nguồn: PTN Vật lý KTAS, ĐHBK HN) 39 Hình 3.5 Phân bố cƣờng độ sáng đèn hệ tọa độ Đề (a), hệ toạn độ cực (b) 39 Hình 3.6 Nguyên lý cấu tạo goniophotometer dùng gƣơng quay 39 Hình 3.7 Góc kế quang học hãng Lighting Science (Hoa Kỳ) chế tạo, đặt PTN Vật lý KTAS, ĐHBK Hà Nội 40 Hình 3.8 Phân bố cƣờng độ sáng loại đèn có trục đối xứng 41 Hình 3.9 Mơ tả vùng 43 Hình 3.10 Tập liệu trắc quang đèn huỳnh quang máng parabol 45 Hình 3.11 Bộ đèn Natri RAINBOW High Pressure Sodium (HPS) 250W công ty Hapulico Việt Nam sản xuất 47 Hình 3.12 Biểu đồ cƣờng độ sáng đèn RAINBOW HPS – 250W 50 Hình 3.13 LED panel cơng trình đƣợc chiếu sáng LED panel 65 Hình 3.14 Biểu đồ cƣờng độ sáng đèn LED panel 600 x 600 69 LỜI NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Về phƣơng diện vật lý, quang thông nguồn sáng đƣợc hiểu phần lƣợng sóng điện từ truyền vào khơng gian mà ngƣời cảm thụ đƣợc mắt Suy cho cùng, quang thông nguồn sáng số photon có tần số nằm khoảng (7,89 ÷ 3,94)1014Hz, hay bƣớc sóng nằm khoảng (0,38 ÷ 0,76)10 -6 m nguồn xạ vào khơng gian nằm vùng nhìn thấy mắt (Visible: Vis) Trong lĩnh vực kỹ thuật ánh sáng, quang thơng đại lƣợng đắc trƣng cho khả xạ (công suất xạ) ánh sáng nhìn thấy nguồn sáng Các giá trị quang thơng liên quan đến đèn, là: - Quang thơng bóng đèn phát ra: Φ0 - Quang thơng đèn quang thông sau lắp chóa phản xạ vào nguồn sáng phát ra: Φ - Hiệu suất chiếu sáng đèn tỷ số  100% 0 Trong thực tế, quang thông đèn nhỏ quang thông nguồn phần quang thơng nguồn bị hấp thụ đèn hệ số phản xạ chóa đèn ln nhỏ đơn vị Một đèn tốt đèn có hiệu suất chiếu sáng cao Thông thƣờng, sau sản xuất, quang thông Φ0 loại bóng đèn đƣợc xác định cơng bố nhà sản xuất với cấp xác Tuy nhiên, sau lắp thành đèn, mà ngƣời ta quan tâm Φ0 bóng mà giá trị quang thơng hữu ích Φ phát Trong quy định giao dịch thƣơng mại quốc tế thiết bị chiếu sáng, sản phẩm chiếu sáng hoàn chỉnh thiết phải bao gồm vật đèn (gồm nguồn sáng linh kiện kèm), tệp liệu trắc quang (Photometric Data), trị số quang thông phân bố quang thông bắt buộc phải đƣợc thông tin Các thông tin quang thông tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng đèn mà đóng vai trò thông số đầu vào để thiết kế cơng trình chiếu sáng cụ thể với mục tiêu “sử dụng lƣợng tiết kiệm hiệu quả” [3] Đo quang thơng bóng đèn (Φ0) việc đơn giản đƣợc thực cầu tích phân (Integrating Sphere) đƣợc Nhà nƣớc tiêu chuẩn hóa Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7541-2 : 2005, (Phụ lục) Hiện nay, nƣớc ta, sở sản xuất nguồn sáng nhƣ Công ty Rạng Đông (Hà Nội), cơng ty Điện Quang (TP Hà Chí Minh) số Phòng thí nghiệm chun ngành thực đƣợc phép đo Tuy nhiên việc đo giá trị quang thơng hữu ích đèn cơng việc khó khăn nhà sản xuất quan đo lƣờng nƣớc lý chóa đèn thƣờng có kích thƣớc khác có cấu trúc bất đối xứng nên trƣờng sáng đèn bất đối xứng Vì khơng thể xác định quang thơng chúng cầu tích phân đƣợc đo cầu tích phân kết đo có sai số lớn Cũng thế, thời điểm này, số sản phẩm chiếu sáng sản xuất Việt Nam, trƣờng hợp cần thiết phải gửi đo phòng thí nghiệm nƣớc Theo lý thuyết trắc quang, phép đo quang thơng hữu ích đèn có trƣờng sáng phải đƣợc thực qua phép đo tổng quang thông mà đèn phát tất vùng không gian đƣợc chiếu sáng hay quang thông vùng Phép đo phải đƣợc tiến hành phòng tối có kích thƣớc đủ lớn với thiết bị đo góc kế quang học (Goniophotometer).[6] Là phòng thí nghiệm Việt Nam đƣợc trang bị góc kế quang học, thời gian gần đây, phòng thí nghiệm Vật lý Kỹ thuật ánh sáng, viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng đại học bách khoa Hà Nội tiến hành nhiều phép đo quang thơng hữu ích số đèn bất đối xứng có kết cơng bố tạp chí chun ngành [4] Tự nhận thấy vấn đề có tính thời cao đƣợc gợi ý Thầy hƣớng dẫn, chọn đề tài luận văn là: “Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông nguồn sáng bất đối xứng” 10 PHỤ LỤC 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 ... Phương pháp thực nghiệm để xác định quang thông nguồn sáng bất đối xứng 10 Trong luận văn này, nguồn sáng bất đối xứng đƣợc hiểu đèn có trƣờng sáng phân bố bất đối xứng không gian Phƣơng pháp. .. khơng xác Dựa sở lý thuyết đại lƣợng trắc quang mối liên hệ quang thông với đại lƣợng trắc quang khác, xây dựng phƣơng pháp thực nghiệm để xác định quang thông nguồn sáng bất kỳ, đặc biệt cho nguồn. .. BIỂU ĐỒ CHIẾU SÁNG CỦA NÓ 40 3.4 ĐO QUANG THÔNG CỦA CÁC NGUỒN SÁNG BẤT ĐỐI XỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG THÔNG VÙNG 43 3.4.1.Vùng hệ số vùng 43 3.4.2 Quang thông vùng