Исследование характеристик лампы накаливания

Цель работы: изучить конструкцию и снять эксплуатационные характеристики лампы накаливания.
Задание: для исследования выбрать лампу в соответствии с таблицей 1.1

Таблица 1.1.Задание на исследование лампы накаливания

Программа и методика исследования.

1. По натуре и литературным источникам [ 1, 2, 4] составить эскиз лампы и изучить ее конструкцию.

2. Изучить конструкцию и электрическую схему измерительной панели (рис.1.1).

Рис 1.1 Принципиальная электрическая схема стенда для снятия характеристик ламп накаливания. QF - автоматический выключатель; HL - сигнальная лампа; BL - фотоэлемент, V - тиристорный регулятор; EL - исследуемая лампа, РА1 - микроамперметр; SA1 - выключатель; РА2- люксметр; А-усилитель (Схема тиристорного регулятора приведена на рис.4.2.)

Электрическая схема установки переносится в отчёт. В отчете также
вычерчивается схема взаимного расположения лампы, фотоэлемента и актинометра с указанием расстояния между ними. См рис. 1.2

Рис.1.2. Схема взаимного
расположения лампы 2,
фотоэлемента 3, актинометра 1, кожуха 4, тубуса 5

3. Из таблицы П.1 приложения выписать в таблицу 02. технические данные исследуемой лампы, в том числе температуру спирали – Т_сп и номинальное напряжение.

4. Провести предварительные эксперименты, для чего:

а) измерить напряжение питания, выключив SA и тиристорный регулятор (+);

б) включить SA и с помощью тиристорного регулятора (-) уменьшить
напряжение, подаваемое на лампу, до минимума. Замерить U и I и
пользуясь законом Ома определить R₀ - сопротивление спирали в холодном
состоянии.

в) установить номинальное значение мощности лампы по ваттметру и
выяснить номинальное значение напряжения.

Рис. 1.3. Принципиальная электрическая схема измерения температуры
Т2 - трансформатор, R1...R7 - резисторы, VD13, VD14 - стабилитроны, А -
усилитель К140УД1A, VD1…VD8 -диоды, ВК- терморадиационный прибор,
РА1 – микроамперметр.

г) одно из произвольных положении лампы принять как основное, замеренная при этом освещенность – Е₀ Не меняя расстояния между лампой и фотоэлементом, поворачивая лампу вокруг оси, произвести замеры освещенностей Е и установить поправку на несимметричность силы света (формула 1.1)

К_н = n E₀ / ∑ Е, (1.1)

где: ∑ Е - сумма замеренных освещенностей;

n — число замеров освещённости.

Истинное значение средней освещённости определяется умножением показаний прибора на коэффициенты К_т, К_н.

Температура нити лампы измеряется с помощью термоэлектрорадиоактинометра (ТЭРА), включённого в специальную схему (рис. 1.3.). Замеряется ток пропорциональный термо ЭДС ТЭРА, которая в свою очередь пропорциональна 4-ой степени температуры нити. На рис. 1.4. дан фрагмент этой зависимости.

Настройка прибора производится с помощью резистора R6 (рис.1.3.). По
графику (рис.1.4.) определяют ток, соответствующий номинальной температуре
нити и резистором R6 устанавливают этот ток.

Рис. 1.4. Тарировочная кривая термоэлектрорадиоактинометра

При изменении температуры нити ток будет изменяться, и значение температуры определяется по тому же рис. 1.4. Для производства замеров оптика прибора ТЭРА должна быть направлена на нить, для этого его следует перемещать по вертикали до тех пор пока в красном окне визира не будет лампы при изменении напряжения. Пределы измерения напряжения берутся видна проекция нити.

5. Исследовать измерение светотехнических и электротехнических параметров лампы при изменении напряжения. Пределы измерения напряжения берутся в соответствии с возможными колебаниями напряжения в сельских сетях ± 10% от номинального напряжения. Измерения производятся для 5-ти уровней
напряжения, включая номинальное и крайнее, т.е. 1.1 U_н; 0.9 U_H. Изменение
параметров подчиняется эмпирическому закону:

(1.2)

где: X, Х_н - искомый и номинальный параметр;

U, U_н -текущее и номинальное значения напряжения;

К - показатель степени, таблица П.2.

Графически эти зависимости представлены на рис. 1.5. и 1.6. в относительных единицах. Их копии переносятся в отчёт.

В работе измеряется освещенность Е, ток I, напряжение U, температура нити Т. Остальные параметры определяются по формулам:

Световой поток: Ф_СВ ≈ 3, 7 π Е_ср ℓ ² (1 3)

где 3.7 π - средний реальный телесный угол лампы (4 π - полный телесный угол сферы; Е_ср = Е ∙ К_т ∙ К_н - средняя освещённость фотоэлемента, лк; Е – показания люксметра установки; К_т, К_н - поправки, определяемые по формулам (0.1) и (1.1.); К_т=1.

ℓ - расстояние между осью лампы и фотоэлементом, м.

Сопротивление нити лампы: (1.4)

Активная мощность: Р = U∙ I (1.5)

Мощность высших гармоник G = (Uс –Uл)∙ I (1.6)

Рис.1.5. Зависимость мощности Р и тока I сопротивления Rлампы накаливания от напряжения питания отн.ед.

Рис. 1.6 Зависимость срока службы L, светового потока Ф,
световой отдачи ψ, температуры нити
пампы Т от напряжения питания, отн.ед.

Таблица 1.2. Эксплуатационные характеристики лампы _______.

тип

6. По данным экспериментов делаются выводы о степени совпадения опытных и расчетных параметров и об особенностях ламп накаливания по сравнению с другими источниками света. Если расхождения паспортных данных превышает 10%, то нужно выявить причины ошибок, а при необходимости повторить опыт.

Световая отдача: (1.6)

В работе также необходимо выявить перераспределение составных частей излучения и КПД их преобразования

Интегральный поток излучения определяется по формуле Стефана-Больцмана:

Ф = ε _s ∙ σ ∙ Т_ист⁴ ∙ А_у (1.7)

Где: А_у - условная площадь нити, табл. П.1. (м²)

σ - постоянная Больцмана, табл. П.3.

ε _s - интегральный коэффициент степени черноты вольфрама, рис. П.4.

Лучистый КПД (КПД интегрального излучения)- по формуле:

= (1.8)

Активный поток: (1.9)

где ε _св - средний коэффициент теплового излучения вольфрама в видимом
зоне (рис П.4.)

; ; S’_a1 ≈ 0

-площадь графика пропорциональная потоку а.ч.т. в зоне 0…380 нм.

- то же, для потока а.ч.т. в зоне 0..760 нм.

- то же, для интегрального потока.

Все значения взяты для одной и той же температуры и находятся по рисунку П.5. Площади S’_a1 и S’_a2 определяются по функции планка (рис. 1.8). Методика расчета изложена в пояснении к работе.

КПД лампы в активной зоне:

(1.10)

Световой (эффективный) поток лампы, Вт

(1.14)

Световой КПД лампы (1.15)

Замеренные и вычисленные величины записываются в табл 1.2 в столбцы " абс". В столбцы " отн" вносят относительные значения тех же величин, при этом
знаменатель дроби вычисления относительной величины равен абсолютному
значению этой величины при U_н. Относительные значения параметров каждый со своим обозначением (•, V, *, i○), наносятся на графики (рис 1.5-1.6).

Изменение КПД представляется графиком η =f∙ (U%).

Пояснения к работе.

Причиной излучения нагретого тела спирали являются электронные переходы в молекулярной структуре металла, сопровождающиеся выделением потока фотонов. Распределение фотонов по спектру описано уравнением Планка (1.11) и представлено на рис. 1.7. Интегральный поток излучения пропорционален площади, ограниченной соответствующей кривой (рис. 1.7) и определяется по закону Стефана-Больцмана по (рис. 1.7) Активный (видимый) поток является частью интегрального потока, ограниченного λ _η =380 нм и λ _к= 760нм.

т.е.

Этот поток может быть найден с использованием формулы (1.9).

Спектральное распределение фотонов для а.ч.т. описывается функцией Планка

φ _λ =К_I ∙ λ ^-5 ∙ (ℓ ^{-К2/λ Т}) ^-1 ∙ А (1.11)|

где: λ - координата длины волны излучения, м;

Т - температура, К;

А — площадь излучения, м²;

К₁= 3, 74 ∙ 10^-16 Вт∙ м ^-2; К₂=1, 4 ∙ 10^-2 мк.

При температуре Т максимальное значение функции Планка имеет вид

(φ _λ )_max = 1, 3∙ 10^-11∙ Т⁵∙ А (1.12)

а длины волн при этом: λ _max=2 896/T, мкм (1.13)

Если (1.11) разделить на (1.12), длину волны на (1.13), то функция Планка
становится независимой от температуры и изображается в относительных
координатах

; (рис. 1.8)

Интегрирование этой функции до любого дает возможность получить в
этой зоне в относительных единицах: S_a1’, S_a2’, S_s', причем каждое из этих значений пропорционально соответствующей площади графика (заштрихованная часть). Значения S'(λ ') вычислены и приведены на рис. 2.5.

Рис.1.7. Распределение излучения а.ч.т. (1) и вольфрама (2).

Рис.1.8. Закон планка для нагретого тела, в отн.ед.

Лабораторная работа № 4