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CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura L. Mercatelli Istituto Nazionale di Ottica Applicata.

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Presentazione sul tema: "CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura L. Mercatelli Istituto Nazionale di Ottica Applicata."— Transcript della presentazione:

1 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura L. Mercatelli Istituto Nazionale di Ottica Applicata Corso Apparecchi di illuminazione Laboratorio CE.TA.CE. Prato

2 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Indice Tipologie di sorgenti luminose Definizione di temperatura di colore, color rendering index, colore di una sorgente Strumenti di misura –Luxmetro –Fototubi, termopile –Goniofotometro –Spettroradiometro

3 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Tipologie di sorgenti luminose

4 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata In base al principio di funzionamento si possono individuare le seguenti tipologie di lampada INCANDESCENZA SCARICA IN GAS FLUORESCENZA convenzionali alogene bassa pressione alta pressione AD ARCO LAMPADE A SEMICONDUTTORE LED

5 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Caratteristiche principali di una lampada Efficienza [lumen/watt] rapporto fra flusso luminoso emesso e potenza elettrica assorbita. Durata (vita media) pari al tempo medio durante il quale la lampada è capace di emettere un flusso luminoso non inferiore del 50% del flusso iniziale Spettro della luce emessa colore della luce Tensione di alimentazione Costo dellimpianto e manutenzione

6 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Le lampade ad incandescenza sono radiatori di calore: allinterno di un bulbo chiuso, il filamento di tungsteno della spirale viene reso incandescente al passaggio della corrente elettrica. Oltre che in calore, lenergia viene convertita in luce in una misura che compresa tra il 5% e il 10%. Sorgenti incandescenti Talvolta nel bulbo viene immesso un gas inerte (azoto, argo o cripto) per rallentare la volatilizzazione del filamento, prolungandone la durata. Temperatura di lavoro: K, vita media: 1000 h. Aumentando la temperatura aumenta lefficienza luminosa e la temperatura di colore. Tuttavia, diminuisce la durata della lampada in quanto il materiale del filamento evapora e diventa sempre più sottile fino a spezzarsi.

7 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Distribuzione spettrale della radiazione emessa dalle sorgenti incandescenti

8 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Le applicazioni più diffuse applicazioni mediche scopi terapeutici: cura di reumatismi, dolori muscolari ecc. Industria essiccazione di vernici e per trattamenti termici, allevamento di animali Uso domestico, uffici, ecc.. Particolari sono le incandescenti a raggi infrarossi, fabbricate in modo tale che il filamento raggiunga temperature non superiori ai 2200 °C ed emetta perciò radiazioni quasi esclusivamente calorifiche.

9 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampade ad incandescenza alogene Bulbo riempito da un gas alogeno (iodio, bromo) Il gas alogeno combinandosi con il tungsteno evaporato forma lalogenuro di tungsteno, il quale si decompone vicino al filamento consentendo al tungsteno evaporato di ridepositarsi sul filamento stesso. Il bulbo è costituito di quarzo in quanto, per mantenere il ciclo alogeno, deve essere portato alla temperatura di almeno 250°C. consistente emissione UV dipendente dalla qualità e dalle proprietà del bulbo di quarzo. Attualmente esistono in commercio speciali quarzi UV-STOP, dalla lampada viene cioè erogata solo luce visibile

10 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Vantaggi 4.Più luce a parità di consumo di energia elettrica grazie ad una più elevata efficienza luminosa: lumen/watt contro lumen/watt per le incandescenti normali. 1.Luce chiara uniforme per lintera durata della lampada 2.Durata tipica doppia rispetto alle lampade ad incandescenza convenzionali 3.Dimensioni ridotte

11 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Applicazioni Sistemi richiedenti elevata potenza (max 5kW) (fotocopiatrici, spot luminosi, lampade teatrali, semafori, ecc.) Ambiente domestico (lampade da tavolo, W)

12 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata LAMPADE A SCARICA IN UN GAS Funzionamento basato sul principio della scarica in un gas, dove lenergia liberata durante la scarica è usata per generare radiazione e.m. Una tensione applicata agli elettrodi agisce sugli e - liberi nel gas che iniziano a muoversi in direzione del polo positivo, entrando in collisione con gli atomi del gas. Il tubo in cui avviene la scarica è costituito da due elettrodi sigillati al suo interno e riempito con un metallo e un gas dinnesco.

13 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Le lunghezze donda generate in una scarica in gas dipendono principalmente da: vapori degli elementi utilizzati : mercurio, sodio, alogenuri ( sodio, tallio, indio) e terre rare. Rivestimento della parete del tubo con polvere fluorescente lampade a fluorescenza al mercurio ( a basso consumo) Pressione del gas

14 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Emissioni lampada a Hg. Pressioni crescenti da 31 atm a 285 atm. - Bassa pressione ( atm) - Media pressione (2 10 atm) - Alta pressione (> 10 atm), lampade HID (High Intensity Discharge)

15 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampade fluorescenti Fra gli elettrodi della lampada si genera una scarica che, attraversando i vapori di mercurio, genera (oltre ad alcune radiazioni visibili) una grande quantità di radiazioni UV di =253.7 nm. Le polveri fluorescenti (silicati o fosfati di Ca e Zn) che rivestono la parete interna del tubo convertono le emissioni UV in luce visibile. Combinazioni diverse di polveri consentono di ottenere tonalità di luce diversa Lampade a scarica a bassa pressione, a vapori di mercurio.

16 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampade fluorescenti Lampade a scarica a bassa pressione, a vapori di mercurio.

17 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Efficienza totale del 20% (60 lumen/watt) Tenendo conto delle perdite degli alimentatori si arriva a 54 lumen/watt. Efficienza circa 4 volte maggiore delle incandescenti

18 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Fluorescenti a catodo caldo (più usate) Elettrodi costituiti da un filamento di tungsteno rivestito di ossidi di metalli alcalino terrosi, che viene riscaldato a circa 950 °C. Durante il normale funzionamento gli elettrodi si mantengono caldi per effetto del bombardamento ionico. Fluorescenti a catodo freddo Elettrodi costituiti da cilindri che funzionano alla temperatura di circa 150 °C e richiedono tensioni dinnesco di V. Recentemente sono stati sviluppati alimentatori elettronici che garantiscono unaccensione immediata senza sfarfallii, oltre ad eliminare leffetto stroboscopico

19 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampada al sodio Bassa pressione emette principalmente a = 589 nm (giallo-arancio) Alta pressione spettro composto da più righe, luce bianco-dorata. Sono usate per lilluminazione stradale in zone nebbiose o in galleria.

20 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampada al sodio

21 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata LAMPADE AL MERCURIO Bassa pressione Emissione di radiazione nella regione UVC dello spettro, prevalentemente a = 254 nm, lunghezza donda prossima a quella per cui si ha il massimo di assorbimento del DNA ( 260 nm).

22 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampade ad arco Spettro simile alla luce solare, impiegato per ricerca. Ultimamente utilizzato nel settore automobilistico. La sorgente luminosa è costituita da un arco elettrico che sinnesca fra i due elettrodi. Le più comuni sono allo xenon e mercurio-xenon. Lavorano in continua e sono in assoluto le sorgenti più luminose. Lavorano ad elevata pressione e necessitano di bulbi di quarzo.

23 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Lampade ad arco

24 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata LIGHT EMITTING DIODE [LED] Lampada a stato solido Costituiti da un diodo che in conduzione diretta emette luce per effetto della ricombinazione dei portatori iniettati LED emettono luce quasi-monocromatica nel rosso, giallo, verde o blu. Utilizzando alcuni fosfori si può ottenere luce bianca. VANTAGGI P iccoli Elevata efficienza Economici, ridotti consumi di corrente e tensione Lunga durata (non cè dispersione di calore)

25 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Temperatura di colore Indice di resa cromatica Curva fotometrica

26 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Temperatura di colore

27 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Indice di resa cromatica L'indice di rendimento del colore indica la resa dei colori fornita da una sorgente luminosa, paragonata ad una luce standard. La misura prevede l'illuminazione di otto colori campione standard, ed il confronto con i dati ottenuti con una lampada a filamento

28 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Curva fotometrica La curva fotometrica è un grafico che esprime la distribuzione delle intensità luminose emesse da una sorgente. La rappresentazione più usata è quella di un diagramma polare.

29 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Classificazione degli apparecchi % sotto orizzontale 0-10% sotto orizzontale 40-60% sotto orizzontale

30 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Curva asimmetrica

31 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Rivelatori

32 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Scegliere un rivelatore Sensibilità spettrale Può essere cambiato picco di sensibilità o larghezza di banda ma vi deve essere sufficiente segnale iniziale Insensibilità alla radiazione fuori della banda dinteresse

33 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Rivelatori al silicio Giunzione P-N: Diodo polarizzato inversamente Corrente proporzionale luce incidente Radiazione assorbita esponenzialmente con la distanza. Proporzionale al coeff. Assorbimento Coeff. Assorbimento alto per corte (UV) e basso per lunghe (IR) - trasparente per >1200 nm

34 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Rivelatori al silicio Linearità mantenuta entro range dinamico di 10 decadi Utilizzati come standard al NIST Limite teorico di sensibilità corrente di buio, rumore shot, rumore termico Limite pratico di sensibilità irradianza che produce una corrente confrontabile con la corrente di buio

35 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Scelta dei filtri Risposta fotorivelatore I filtri funzionano per assorbimento o per interferenza Assorbimento: Legge Lambert-Beer. Banda larga, passa-alto Interferenza: deposizioni dielettriche causano interferenza dei fronti donda. Banda stretta

36 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dellocchio umano Filtraggio -1

37 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Filtraggio -2

38 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Luxmetro Misura W/m 2 pesati sulla risposta dellocchio (LUX) FOTODIODO FILTRO TESTA - COSENO

39 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Tipologie di illuminanti

40 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Color Correction Factor

41 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata

42 Vacuum Photodiodes Fototubo: sensore basato su effetto fotoelettrico Coating del catodo con materiali che emettono elettroni se colpiti da radiazione (es. Cesio) Anodo a 50-90V per raccogliere gli elettroni uscenti dal catodo. (Tecnologia odierna pochi Volts ddp)

43 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Vacuum Photodiodes La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo Es: fototubi per UV catodo Cs-Te

44 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Fotomoltiplicatori Emissione secondaria dai dinodi Alto guadagno Utilizzati in conteggio di singolo fotone

45 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Termopile Effetto Seebeck (Thomas Johann Seebeck, ). Una corrente elettrica scorre in un circuito costituito da due conduttori metallici in serie quando le due giunzioni sono a temperature diverse. La fem è proporzionale alla differenza di temperatura delle giunzioni

46 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Termopile Giunzione calda immersa in assorbitore Giunzione fredda schermata da vernice od altro Sensibilità spettrale dipende da assorbitore

47 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Filtri per Irradianza Effettiva Combinazione filtro-sensibilità spettrale per misure di irradianza effettiva Irradianza effettiva: irradianza pesata in proporzione alleffetto chimico o biologico che ha la luce su una determinata sostanza Es: Funzione peso per irraggiamento della pelle umana usata per determinare il rischio UV

48 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata

49 Campo di vista del rivelatore Importanza del campo di vista, in accordo al tipo di misura da compiere: Es. Misura di irraggiamento della pelle umana: la pelle è piana e diffondente ed assorbe radiazione in proporzione allangolo di incidenza Es. Misure di radianza necessitano angoli di accettazione stretti I fotodiodi al silicio hanno risposta coseno, ma lintroduzione di filtri davanti ne limita il campo Un campo di vista stretto porta a misurare segnali bassi. Per compensare il problema si aumenta la sezione del fascio misurato tramite lenti

50 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Goniofotometro Esistono 3 tipologie di goniofotometri: Rivelatore fisso, lampada mobile Lampada fissa, rivelatore mobile Rivelatore e lampada mobili

51 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Spettroradiometro Misure di radianza spettrale

52 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Misure con spettroradiometro Spectralon: Superficie che riflette tutte le lungh. donda con la stessa efficienza. La diffusione nello spazio rispetta la legge di Lambert SORGENTESPECTRALON SPETTRORADIOMETRO

53 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Il colore -1 In termini di spettro, il colore è: LEMISSIONE DELLA SORGENTE CHE NON VIENE ASSORBITA DAL CAMPIONE MA RIDISTRIBUITA NELLO SPAZIO SORGENTE CAMPIONE COLORATO

54 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Il colore -2

55 CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Luca Mercatelli Tel: /311 Web: Contatti


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