Czy każdy luksomierz sprawdza się przy pomiarach oświetlenia LED?

Czy każdy luksomierz sprawdza się przy pomiarach oświetlenia LED?

Czy każdy luksomierz sprawdza się przy pomiarach oświetlenia LED?

Ponieważ wrażenia oświetleniowe oceniamy okiem ludzkim, to fotoczułe sondy stanowiące element luksomierzy muszą mieć czułość widmową dopasowaną do czułości ludzkiego oka.

Przykład

Około 80% wrażeń zewnętrznych odbieramy wzrokiem. Oko ludzkie jest wyposażone w receptory świetlne dostosowujące się do skrajnie różnych warunków oświetleniowych. To zakres od części luksa w nocy do ponad 100 000 luksów w letnie południe w pełnym słońcu. W procesie widzenia biorą udział dwa rodzaje receptorów usytuowanych na siatkówce oka. Zgromadzone przede wszystkim w centrum żółtej plamki czopki rozróżniają barwy, ale są mniej czułe niż pręciki. Pręciki rozmieszczone poza żółtą plamką mają dużo większą czułość, ale nie rozróżniają barw. Dlatego tzw. widzenie zmierzchowe to widzenie w szarych barwach.

Światło odbierane przez oko ludzkie stanowi tylko niewielki fragment promieniowania elektromagnetycznego (rys. 1). W technice świetlnej określa się zakres promieniowania za pomocą długości fali. Przy czym używaną jednostką długości fali jest nanometr [nm] (1 nm = 10–9 m).

Rys. 1. Podział promieniowania elektromagnetycznego ze względu na specyfikę oddziaływania [pozycja 9 w materiałach źródłowych]

Zakres długości promieniowania widzialnego jest inny dla widzenia dziennego (czopkowego), a inny dla widzenia zmierzchowego (pręcikowego). Najlepiej przy widzeniu dziennym odbieramy barwę żółtą o długości fali Vλ = 555 nm. Przy widzeniu zmierzchowym zakres czułości oka przesuwa się ku falom krótszym, przy czym maksimum czułości odpowiada barwie żółto-zielonej o długości fali V`λ = 507 nm. Granice te są wielkościami umownymi. Ze względu na fakt różnego, indywidualnego, odbierania wrażeń świetlnych przez poszczególnych ludzi nie istnieje możliwość ścisłego ich określenia. Z tego względu jako wzorzec przyjmuje się tzw. względną czułość widmową obserwatora fotometrycznego normalnego CIE (Commision Internationale de l'Eclairage – Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej). Odpowiadające tej czułości krzywe ilustruje rysunek 2.

Rys. 2. Krzywe czułości widmowej oka ludzkiego – z prawej przystosowanego do jasności (Vλ), a z lewej do ciemności V`λ) [9]

Przy analizie źródeł światła rozróżnia się promieniowanie monochromatyczne, przy którym teoretycznie cała energia emitowana jest przy jednej długości fali. Przykładem może być promieniowanie nisko prężnych lamp sodowych, które prawie całą energię promieniowania emitują przy długości fali 590 nm. Podobna sytuacja występuje przy promieniowaniu jednobarwnych diod elektroluminescencyjnych (LED). Większość stosowanych współcześnie pozostałych źródeł światła charakteryzuje jednak promieniowanie heterochromatyczne (złożone). Przy tym rodzaju promieniowania energia przenoszona jest na kilku długościach fali (rys. 3).

Rys. 3. Heterochromatyczne prążkowe widma promieniowania przykładowych źródeł światła a) świetlówki, b) diody elektroluminescencyjnej [9]

tekst

Pierwotnie jako element fotoczuły luksomierzy stosowano ogniwa selenowe, których krzywa czułości jest zbliżona do krzywej czułości oka (rys. 4).

Rys. 4. Charakterystyki ogniw selenowego i krzemowego w porównaniu z charakterystyką czułości widmowej oka przystosowanego do jasności [9]

Stosowane obecnie ogniwa krzemowe wymagają użycia filtrów korekcyjnych (rys. 5), ale mają inne zalety, takie jak mniejszą wrażliwość na zmiany temperatury oraz względną większą stałość charakterystyki zewnętrznej. Ponadto ogniwa krzemowe starzeją się wolniej od ogniw selenowych, więc wymagają rzadszego wzorcowania. Natomiast postęp w rozwoju elektroniki umożliwia wzmacnianie stosunkowo słabszego sygnału ogniw krzemowych.

Rys. 5. Zastosowanie filtru umożliwia dopasowanie krzywej czułości widmowej ogniwa krzemowego do czułości oka [9]

Elementy wpływające na jakość pomiaru

Ponieważ w praktyce brak jest możliwości idealnego dopasowania czułości fotoogniwa do krzywej obserwatora fotometrycznego CIE, dlatego w danych technicznych luksomierzy ich producenci podają barwowe współczynniki korekcyjne dla poszczególnych typów źródeł światła. W miernikach dobrej jakości są to wartości niewiele odbiegające od jedności oznaczającej dopasowanie idealne i praktycznie niemające wpływu na uzyskane wyniki pomiarów. W tabeli 1 zestawiono wyniki uzyskane podczas badań przeprowadzonych w Okręgowym Urzędzie Miar w Łodzi.

Tabela 1. Przykładowe wielkości współczynników korekcji barwowej luksomierzy [4]

Źródło światła

Badane luksomierze

I

II

III

IV

V

Wysokoprężna lampa rtęciowa

1,00

1,00

1,01

1,34

0,98

Świetlówka liniowa (barwa ciepła)

0,99

0,99

0,99

1,17

1,01

Świetlówka liniowa (barwa chłodno-biała)

1,00

1,00

0,99

1,25

1,03

Świetlówka liniowa (barwa dzienna)

1,00

1,01

1,00

1,29

1,01

LED (barwa ciepła)

0,99

1,01

0,99

1,26

1,00

LED (barwa biała)

099

1,01

1,00

1,26

1,00

LED (barwa zimna)

1,00

1,01

1,01

1,14

1,03

LED niebieski

1,06

1,05

1,19

0,35

2,64

Następnym elementem wpływającym na dokładność pomiaru jest stałość charakterystyki zewnętrznej ogniwa. Prostolinijna charakterystyka prądowa zapewnia proporcjonalność prądu fotoelektrycznego do natężenia oświetlenia na powierzchni światłoczułej ogniwa (rys. 6).

Rys. 6. Charakterystyki krzemowego ogniwa fotoelektrycznego – przy pomiarach natężenia oświetlenia wykorzystywany jest prostoliniowy odcinek charakterystyki prądowej [9]

Promieniowanie świetlne dociera do powierzchni fotoczułej ogniwa nie tylko prostopadle, ale również z różnych innych kierunków. Z tego względu oprócz korekty widmowej niezbędna jest także korekta przestrzenna, zwana także korektą kierunkową lub kosinusową. Konieczność jej stosowania wynika z dwóch powodów. Po pierwsze ogniwa fotoelektryczne mają na obwodzie tzw. pierścień zbierający, który zasłania część powierzchni światłoczułej przed promieniowaniem padającym pod małym kątem w stosunku do płaszczyzny pomiaru (rys. 7).

Rys. 7. Pierścień osadzony na ogniwie zasłania część powierzchni światłoczułej ogniwa [9]

Drugą przyczyną jest odbicie części promieniowania od powierzchni ogniwa. Odbicie promieniowania okaże się tym większe, im światło pada bardziej płasko. Współczynnik odbicia ma najmniejszą wartość wtedy, gdy światło pada prostopadle. Celem ograniczenia wpływu tych dwu zjawisk stosuje się odpowiednie nasadki w postaci płaskich rozpraszających krążków lub mlecznych szklanych kopułek (rys. 8).

Rys. 8. Przykłady korekty kierunkowej ogniw fotoelektrycznych – z lewej nasadka płaska rozpraszająca promieniowanie padające pod małym kątem, z prawej nasadka kopułkowa z mlecznego szkła powodująca zmianę kierunku padania części promieniowania na powierzchnię fotoogniwa [9]

Warunki uzyskania dokładnych pomiarów

Dokładność pomiarów natężenia oświetlenia zależy od kilku warunków:

– ze względu na starzenie się ogniw i elementów fotoelektrycznych luksomierze powinny być poddawane okresowemu wzorcowaniu (co pół roku z ogniwami selenowymi, co 2 lata z ogniwami krzemowymi);

– luksomierz przy pracy w różnych temperaturach powinien mieć kompensację termiczną;

– w trakcie pomiaru fotoogniwo musi być trzymane na odpowiedniej wysokości i ściśle w płaszczyźnie pomiaru (np. poziomo na wysokości blatów stołów);

– przy pomiarach światła rozproszonego, pochodzącego z wielu kierunków (taka sytuacja występuje w większości przypadków), wykonujący pomiary nie powinien sobą zasłaniać głowicy fotometrycznej luksomierza, dodatkowo ubiór mierzącego powinien być ciemny i matowy, ponieważ światło odbite od osoby pomiarowca zawyża uzyskany wynik pomiaru.

Ten ostatni warunek jest często lekceważony. Świadczy o tym duża popularność luksomierzy z wbudowanym elementem światłoczułym. przy posługiwaniu się tego typu miernikiem w trakcie odczytywania wyniku mimo woli zasłaniamy głową czujnik światła i uzyskujemy wynik zaniżony. Fotoogniwo powinno się trzymać możliwie daleko od siebie. Dlatego zalecane są luksomierze, w których fotoogniwo połączone jest z aparatem długim (ok. 1,5 m) przewodem.

Ponieważ trzymanie fotoogniwa daleko od miernika i jednoczesne obserwowanie wyświetlanych wyników jest niewygodne, pomiary można wykonywać w dwie osoby, z których jedna operuje czujnikiem trzymanym w wyciągniętej ręce, a druga trzyma miernik i obserwuje jego wyświetlacz (większość luksomierzy ma funkcję automatycznego zapisu wyników). Można także posłużyć się specjalnie skonstruowanym wózkiem na wysięgniku, do którego zamocowuje się fotoogniwo oraz odrębnie, na wsporniku przy rączkach wózka, miernik połączony z ogniwem giętkim przewodem (rys. 9). Regulowane położenie wysięgnika ułatwia utrzymywanie fotoogniwa zarówno na odpowiedniej wysokości, jak i ściśle w płaszczyźnie pomiaru.

Rys. 9. Przykład wózka ułatwiającego pomiary oświetleniowe we wnętrzach: 1 – wózek, 2 – przegubowy wysięgnik do mocowania fotoogniwa, 3 – miernik, 4 – fotoogniwo, 5 – rączki do kierowania wózkiem, a – wymiar regulowany (dostosowany do położenia fotoogniwa w płaszczyźnie pomiaru) [7]

Uzyskane wyniki pomiarów zależą ponadto od klasy zastosowanego miernika. Nowoczesne luksomierze są wyposażone wyłącznie w fotoogniwa krzemowe, skorygowane widmowo i przestrzennie. Stopień tego dopasowania decyduje o zakwalifikowaniu do odpowiedniej klasy określonej przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (tabela 2).

Do klasy L zaliczone są mierniki najwyższej jakości używane przy pomiarach laboratoryjnych. Do pomiarów eksploatacyjnych używa się luksomierzy trzech pozostałych klas. Klasa A obejmuje mierniki wysokiej jakości, klasa B średniej, a klasa C niskiej jakości.

Tabela 2. Wartości graniczne błędów niedopasowania fotoogniw luksomierzy w zależności od klasy miernika [3]

Błąd pomiaru

Maksymalne wartości błędów

Klasa L

Klasa A

Klasa B

Klasa C

Niedopasowania widmowego f1

1,5%

3%

6%

9%

Niedopasowania kierunkowego f2

1,5%

3%

6%

Niestety z klasą miernika wiąże się jego cena. Z tego względu większość użytkowanych powszechnie mierników to tańsze przyrządy klasy C, a nawet pozaklasowe, w których krzemowa fotodioda nie ma ani korekty widmowej, ani kierunkowej. Wykonywanie pomiarów takim przyrządem nie ma jednak w zasadzie sensu, ponieważ ich wyniki są obarczone bardzo dużym błędem mogącym wynosić 100% lub więcej (por. rys. 5 i 7).

Odpowiadając na pytanie postawione w tytule, należy stwierdzić, że do pomiarów natężenia oświetlenia, także z zastosowaniem lamp LED, można używać wszystkich luksomierzy, których fotoogniwa mają prawidłową korektę widmową i kierunkową. Ponadto niezbędne jest przestrzeganie podanych w tekście wskazówek.

Materiały źródłowe:

  1. PN-EN 12464-1:2012 Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach.

  2. PN-89/E-04040/00 Pomiary promieniowania optycznego. Pomiary fotometryczne. Wymagania ogólne.

  3. Publikacja CIE 69-1987 Methods of characterizing illuminance meters and luminance meters.

  4. Banaszak A., Tabaka P., Wtorkiewicz J., „Analiza wybranych właściwości różnych typów luksomierzy”. „PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI”, zeszyt 268, 2015.

  5. Bąk J., „Technika oświetlania. Wybrane zagadnienia oświetlania wnętrz”. Wydawca: COSiW SEP. Warszawa 2014.

  6. Pracki P., „Projektowanie oświetlenia wnętrz”. Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2011.

  7. Strzyżewski J., „Vademecum eksploatacji i konserwacji urządzeń oświetleniowych. Wydawca: POLCEN. Warszawa 2010.

  8. Wiśniewski A., „Elektryczne źródła światła”. Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2011.

  9. Żagan W., „Podstawy techniki świetlnej”. Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2014.

Autor: mgr inż. Janusz Strzyżewski członek Centralnego Kolegium Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych, członek Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP, członek Izby Inżynierów Budownictwa
Słowa kluczowe:
luksomierz