Strumenti e tecniche di misura per grandezze fotometriche e caratteristiche delle superfici. prof. ing. Luigi Maffei

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1 Strumenti e tecniche di misura per grandezze fotometriche e caratteristiche delle superfici prof. ing. Luigi Maffei

2 Le grandezze fotometriche Sono definite per valutare in termini quantitativi le caratteristiche dell illuminazione prodotta in un ambiente Flusso luminoso Intensità luminosa Illuminamento Luminanza Le unità di misura sono corrispondenti al Sistema Internazionale (S.I.)

3 Flusso luminoso Simbolo: Ф Unità di misura nel Sistema Internazionale: LUMEN (lm) È definito, data la sorgente, come la quantità di energia luminosa emessa nell unità di tempo

4 Potenza elettrica potenza luminosa Nel caso della potenza elettrica scriviamo: ENERGIA/TEMPO = POTENZA [Watt ] Ma come passiamo dalla POTENZA della sorgente [Watt] a quella luminosa?

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7 Per riassumere: Considerando una sorgente di 1 Watt costituita dalle sole due radiazioni monocromatiche precedenti si avrebbe: λ 1 = 555 nm λ 2 = 650 nm Ф λ1 = 1 W * 683 lm/w = 683 lm Ф λ2 = 1 W * 683 lm/w * 0,10 = 68,3 lm Flusso totale Ф TOT = Ф λ1 + Ф λ2 = 683 lm + 68,3 lm = 751,3 lm Nel caso che la sorgente emetta secondo differenti lunghezze d onda vanno sommati tutti i valori associati a ciascuna lunghezza d onda

8 Esercizio Si abbia una radiazione di 100 W alla lunghezza d onda di 510 nm. Calcolare il flusso luminoso corrispondente

9 In generale - Un fascio luminoso sarà costituito da un insieme di radiazioni monocromatiche - Ogni radiazione dovrà essere considerata secondo la propria sensibilità relativa K m = 683 lm/w W λ = potenza della sorgente V (λ) = fattore di visibilità relativa

10 Misura del flusso luminoso Viene utilizzata per calcolare il valore del flusso totale emesso da una sorgente luminosa, come ad esempio nel caso delle sorgenti artificiali. La misura del flusso luminoso è fatta per mezzo di uno strumento chiamato SFERA INTEGRATRICE

11 Misura del flusso luminoso La Sfera integratrice La misura è effettuata all interno di una sfera avente superficie interna diffondente e caratteristiche di riflessione conosciute - Al centro della sfera viene posizionata la lampada di cui si deve misurare il flusso - Uno schermo opaco interposto tra lampada e fotocellula evita che quest ultima riceva raggi diretti - Attraverso un apertura un fotometro acquisisce un valore di illuminamento attraverso il quale si risale al corrispondente flusso luminoso

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15 La candela (cd) Nel sistema S.I. la candela (grandezza fondamentale) era definita come frazione (1/60) dell'intensità luminosa In emessa da 1 cm2 di un corpo nero a 2039 K. Durante la XVI Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (1979), la candela è stata ridefinita come: l intensità luminosa di una radiazione monocromatica (λ = 0.555) di potenza ϕ λ = 1/683 W emessa entro un angolo solido unitario cioè una radiazione monocromatica (λ = 0.555) di potenza ϕ λ = 1 W corrisponde un flusso luminoso ϕl = 683 lm.

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21 Il goniofotometro 1- La fotocellula è fissa, mentre la sorgente luminosa ruota intorno agli assi longitudinale e trasversale. 2- La sorgente è fissa mentre la fotocellula si muove lungo una superficie emisferica richiede molto spazio di misura 3- La sorgente ruota intorno al proprio asse verticale mentre la fotocellula si muove su una traiettoria semicircolare rispetto alla precedente si riduce lo spazio di misura in una direzione 4- La sorgente può muoversi ma in modo tale da mantenere sempre la sua normale posizione operativa, mentre la luce da esso emessa viene convogliata verso la fotocellula (fissa) tramite uno specchio rotante o un sistema di specchi rotanti ha il vantaggio di richiedere grandi spazi solo in una direzione(la distanza tra specchio e cellula varia tra 10 e 50 m)

22 Il goniofotometro Il sensore del goniofotometro misura l intensità luminosa in tutte le direzioni relative al centro della sorgente combinando il movimento rotatorio sull asse verticale (0-360 ) con la traslazione sulla fascia metallica. Fascia metallica

23 Il solido fotometrico L insieme dei valori dell intensità luminosa fornisce il solido fotometrico. Solido fotometrico

24 Il solido fotometrico Per gli apparecchi di illuminazione la valutazione dell intensità luminosa viene effettuata secondo alcune direzioni prestabilite o piani di simmetria, fornendo così la curva fotometrica

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26 Esercizio Data una sorgente di luce artificiale che emette con una intensità luminosa (I) pari a 2000 cd in ogni direzione, si calcoli il flusso luminoso totale emesso. Il flusso totale emesso è dato dalla seguente relazione: Φ = intensità luminosa x angolo solido Per una sorgente di luce che emette in modo uniforme in ogni direzione, essendo l angolo solido di propagazione del flusso pari a 4π, sostituendo: Φ = 2000 lm/srd x 4π sr= lm Ovvero 25 x 10 3 lm

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29 Esercizio Sia data una superficie orizzontale pari a 5 m 2 ed una sorgente di luce artificiale che illumina tale superficie con un flusso luminoso incidente pari a 4000 lumen. Si calcoli il valore di illuminamento sulla superficie. Il calcolo dell illuminamento su una determinata superficie è dato dalla seguente relazione: E= φ A sostituendo: E=4000= 800lux 5

30 Misura dell illuminamento Per misurare il valore dell illuminamento su di una determinata superficie è disponibile un apparecchio detto LUXMETRO

31 Il luxmetro La luce incide su un ricettore costituito da silicio (materiale semiconduttore fotovoltaico) generando una corrente misurabile in un circuito attraverso un microamperometro. Dalla corrente generata, mediante opportune scale di conversione, viene ricavata la misura dell energia luminosa. MINOLTA T-10M Il luxmetro deve avere una risposta alla radiazione luminosa quanto più vicina alla curva fotopica di sensibilità relativa V(λ), ovvero deve simulare il più possibile l occhio umano normalizzato dal punto di vista fotometrico.

32 Il luxmetro Per poter ridurre le fonti di errore nelle misure di illuminamento è necessario che la strumentazione consideri: - lo scostamento tra la curva di funzionamento dello strumento e quella dell'occhio in visione fotopica (la correzione avviene mediante l applicazione di filtri di correzione) a risposta di una cellula fotovoltaica senza filtro b risposta di una cellula fotovoltaica con filtro c curva di visibilità dell occhio medio internazionale - l errore del coseno (a questo inconveniente si è cercato di rimediare attraverso opportuni dispositivi chiamati diffusori o correttori del coseno che sono ormai parte integrante dell elemento fotosensibile)

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34 In questi casi, dato che le persone sono, per un osservatore, assimilabili non ad un piano ma ad un semicilindro, è importante considerare, oltre ai valori degli illuminamenti orizzontale e verticale, quello dell'illuminamento semicilindrico

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39 Esercizio Data una lampada a vapori di sodio avente una intensità luminosa perpendicolare alla superficie cilindrica pari a 4000 cd, si calcoli il valore della luminanza nella direzione di osservazione indicata in figura. Per calcolare la luminanza di una sorgente luminosa in una particolare direzione vale la seguente relazione: I = intensità luminosa nella direzione considerata A app = area apparente della sorgente nella direzione considerata Essendo in questo caso una sorgente cilindrica la sua area apparente risulterà: A app = 100 x 8 = 800 mm 2 ossia 0,80 m 2. Applicando la relazione: 4000 cd L = = ,80 m 2 L= A I app Area apparente Direzione di osservazione 100 mm 8 mm Lampada

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41 Misura di luminanza (luminanzometro) La misura diretta viene effettuata puntando lo strumento verso la zona del campo visivo di cui interessa rilevare il valore di luminanza, con angoli di apertura scelti in funzione dell uso specifico MINOLTA LS-110 Esempio di misure di luminanza per postazioni di lavoro

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43 Misura di luminanza (videofotometro) LMK 98-3 color Rispetto alla tecnica tradizionale è sempre più diffuso l impiego di tecniche i n n o v a t i v e c h e p e r m e t t o n o l acquisizione sull intera zona ripresa dei corrispondenti valori di luminanza, consentendone una sua mappatura Esempio di mappatura di luminanza con ripresa videofotometrica

44 Esercizio Dato un apparecchio di illuminazione sferico di diametro pari a 20 cm che irradia un intensità luminosa di 100 cd in tutte le direzioni, si calcoli il valore della luminanza media. Sapendo che per il calcolo della luminanza vale la seguente relazione: L= I A app I = intensità luminosa A app = area apparente della sorgente Essendo in questo caso un apparecchio illuminante sferico la sua area apparente risulterà: A app = π x r 2 = 3,14 x 0,10 2 = 0,0314 m 2 Applicando la relazione: 100 cd L = = ,0314 m 2

45 Esercizio Sia data una sorgente di luce artificiale che emette un flusso luminoso totale pari a 500 lumen, incidente su una superficie perfettamente diffondente (si assuma valida la relazione ρ x E = π x L) che presenta un fattore di riflessione di 0,30. Considerando che le dimensioni di tale superficie siano 3 x 3 metri, si calcoli il valore medio della luminanza. Per una superficie perfettamente diffondente vale la seguente relazione: ρ x E = π x L ρ = coefficiente di riflessione della superficie E = illuminamento medio della superficie L = luminanza della superficie E da cui: L ρ = π E = ϕ/a = 500/(3x3) = 55,56 lx 0, 40 55,56 Sostituendo: L = = 3,14 7,08cd

46 Il coefficiente di riflessione fornisce una indicazione del comportamento di una superficie opaca rispetto al flusso luminoso incidente Luce Riflessa ρ = = Luce Incidente Flusso Flusso Luminoso Luminoso Riflesso Incidente Dividendo numeratore e denominatore per l area si ottiene ρ come rapporto di illuminamenti

47 Misura del coefficiente di riflessione: I metodo Luce Incidente Luxmetro (lettura: 70 lx) Posizionando il luxmetro sulla superficie di prova si rileva l illuminamento dovuto alla luce incidente Luce Incidente In un secondo momento si rileva l illuminamento dato dalla luce riflessa Luxmetro (lettura: 45 lx)

48 Misura del coefficiente di riflessione: I metodo Facendo il rapporto tra le due letture si ottiene, se pur approssimativamente, il coefficiente di riflessione della superficie 45lux ρ = 64% 70lux

49 Misura del coefficiente di riflessione: II metodo Luce Incidente Si misura l illuminamento dato dalla luce riflessa su di un campione con coefficiente di riflessione noto (es. ρ=0,90) Luxmetro (lettura: 60 lx) Luce Incidente In un secondo momento si rileva l illuminamento dato dalla luce riflessa sul campione in esame Luxmetro (lettura: 43 lx)

50 Misura del coefficiente di riflessione: II metodo Essendo il flusso incidente lo stesso in entrambi i casi A e B si ha:

51 Il coefficiente di trasmissione fornisce una indicazione del comportamento di una superficie trasparente rispetto al flusso incidente τ Luce Trasmessa = = Luce Incidente Flusso Flusso Luminoso Luminoso Trasmesso Incidente Dividendo numeratore e denominatore per l area si ottiene τ come rapporto di illuminamenti

52 Misura del coefficiente di trasmissione Dal loro rapporto si ottiene il valore, se pur approssimativo, del coefficiente di trasmissione τ = 80lux 150lux 53%

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