Измерение силы света

Главная > Дом и семья > Дача и загородный дом > Растения > Освещение

Измерение силы света

Яркость света или световой поток измеряется люменах (лм, lm) и обозначается буквой Ф. Эту величину сложно описать физически, гораздо проще представить себе, что световой поток Ф падает на какую-либо поверхность и освещает её.
Освещенность такой поверхности измеряется в люксах (лк, lx) и обозначается буквой Е.

Это означает, что 1 люкс равен 1 люмен, деленный на 1 квадратный метр.
Примеры освещенности в природе:
Полнолунная ночь - освещенность земли = 1 лк.
Осенний пасмурный день - освещенность земли = 100 лк.
Ясный солнечный день в тени - освещенность земли = 10000-25000 лк.
Под прямым солнцем - освещенность земли = 32000-130000 лк.

Электрическое освещение

При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать освещенность помещений, в которых будут постоянно пребывать люди. Особенно важна освещенность в детских учреждениях (детских садах и школах), больницах, кабинетах и т.п. Это связано с напряженной зрительной работой, которую будут производить люди в этих помещениях.

Освещение помещений бывает естественное и искусственное.
Естественное освещение это освещение помещения через окна, потолки и другие прозрачные строительные конструкции.
Так как данный сайт посвящен электроснабжению, то остановимся более подробно на искусственном освещении, которое в современном мире осуществляется при помощи электричества. (в средние века преобладали газовые светильники, светильники на жидком топливе, свечи и лучины)

Искусственное освещение делится на:

1. Рабочее (общее) освещение - это основное освещение, которое обеспечивает нормальные условия для нахождения человека в помещении. Под нормальными понимаются условия жизнедеятельности человека, при которых он не напрягает зрение, чтобы выполнить любое действие для которого данное помещение предназначено.
Проще говоря, если вы пришли в супермаркет и пытаетесь прочитать мелкий текст на упаковке товара, то вам необходима освещенность не ниже 300 люкс, что и предусмотрено в строительных нормах РФ. Документ, подробно описывающий нормы освещенности называется СНиП 23-05-95.

Особенно важно учитывать нормы освещенности в помещениях, где люди длительно выполняют напряженную зрительную работу. На рабочих местах с таким видом работ необходимо предусматривать дополнительное местное освещение.

Источниками света в современных светильниках являются три основных вида ламп:

Лампы накаливания - это самый простой прибор, преобразующие электрическую энергию в световую путем обычного нагревания вольфрамовой спирали.

Газоразрядные лампы - к этой категории относятся лампы в основе которых лежит свет, производимый электрическим разрядом в газе или парах металла. Данные светильники занимают преобладающие позиции среди осветительных приборов. Виды таких ламп отличаются многообразием: это и "энергосберегающие" лампы, активно проталкиваемые последнее время в массы, и ртутные лампы типа ДРЛ, используемые в прожекторах, и лампы уличного освещения (натриевые ДНаТ) и многие другие.

Светодиодные лампы - новое и перспективное развитие осветительных приборов, связанное с появлением сверхярких светодиодов.

В таком разнообразии несложно заблудиться. Попробуем провести сравнение столь разных источников света. Основным параметром будем считать эффективность источника света, то есть сколько света он производит, потребив 1 Ватт электроэнергии (лм/Вт).

Из таблицы видно, что лампа накаливания безнадежно проигрывает остальным источникам освещения.
Однако не стоит забывать про качество светового потока - оптимальным для восприятия человеческого глаза считается солнечный свет. Лампа накаливания производит спектр света, который наиболее близок к солнечному.

2. Аварийное освещение - это освещение которое предназначено для того чтобы безопасно завершить производственный процесс (освещение безопасности) или эвакуироваться из здания или помещения (эвакуационное освещение) в случае отключения основного освещения. Основным отличием данного освещения является повышенная надежность электроснабжения, обеспеченная первой категорией электроснабжения, введением дополнительных источников электроэнергии (аккумуляторов) и другими мерами.

3. Охранное и дежурное освещение в комментариях не нуждаются, так как все понятно из названия.

Расчет освещения

Расчет освещения производится для обеспечения нормального уровня освещенности в проектируемом здании и производится на основании строительных планов, технологической расстановки оборудования, проекта дизайна.

Результатом расчета освещения является проект марки ЭО, в котором указаны места установки светильников, питающие сети освещения и расчетные величины освещения для каждого помещения.

Есть несколько способов расчета освещения вручную:

Метод коэффициента использования светового потока:
Суть метода заключается в вычислении коэффициента для каждого помещения, исходя из основных параметров помещения и светоотражающих свойств отделочных материалов. Недостатками такого метода расчета являются высокая трудоемкость расчета и невысокая точность. Таким методом производится расчет внутреннего освещения.

Вторым методом является точечный метод:
Согласно данной методики освещенность определяется в каждой точке рассчитываемой поверхности, относительно каждого источника освещения. Не сложно догадаться, что трудоемкость данного метода просто огромная! Точность находится в прямой зависимости от добросовестности инженера, проводящего расчет.

Мы с вами живем в 21 веке, когда почти все трудоемкие операции производят машины. Поэтому оптимальным способом расчета освещения является расчет при помощи ЭВМ.

Немецкая фирма DIAL любезно предоставляет всем желающим бесплатную программу для расчета освещения DIALux. Программа на основе светотехнических данных светильников и трехмерной модели объекта рассчитывает освещенность и другие параметры.

Качественно, точно и быстро.

P.S. Пренебрегая расчетом освещения вы рискуете попасть в одну из следующих ситуации:

Здание построено, отделка завершена, а в помещениях освещение ниже требований санитарных норм (при сдаче в эксплуатацию дошкольных учреждений, школ, административных зданий, учреждений здравоохранения такие замеры производятся обязательно). Затраты на переделку будут стоить гораздо дороже любого проекта.

Освещенность дворовой территории небольшого жилого комплекса, превышающая норму на 50 люкс "сожрет" за ночь лишний десяток киловатт-часов электроэнергии.

Люксметр - прибор для измерения освещенности, яркости и пульсаций. Он необходим для определения качественных характеристик света. Тусклое освещение и высокий коэффициент пульсации вызывают напряжение органов зрения , что негативно сказывается на общем состоянии организма: появляется усталость, необъяснимая депрессия, другие неприятные ощущения. Главный элемент люксметра - фотодатчик. Попадающие на него лучи света передают свою энергию электронам, в результате чего возникает ток определенной силы, характеризующий степень яркости или освещенности.

Из этой статьи вы узнаете, как пользоваться люксметром, зачем нужно проводить измерения и какие меры необходимо предпринять, чтобы освещение вашего рабочего места, квартиры, загородного дома, дачи и других мест пребывания, соответствовало санитарным нормам. Мы рассмотрим измерение коэффициента пульсаций, освещенности и яркости - условия, при которых необходимо определять эти параметры, а также их влияние на человеческий организм.

Измерение коэффициента пульсаций

Коэффициент пульсации потока света - показатель, характеризующий неравномерность светового потока. Различают пульсацию освещенности и пульсацию яркости. Обе характеристики измеряют в процентах. Допустимые уровни коэффициента пульсации регламентируются актуализированной редакцией СП 52.13330.2011 "Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95" и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03. В результате медицинских исследований, учеными установлено, что человеческой глаз воспринимает пульсации частотой до 300 Гц - они воздействуют на мозг, в результате чего происходит подавление природных биоритмов ЦНС, нарушения гормонального фона, другие отклонения в деятельности жизненно важных систем организма.

Измерять пульсацию необходимо у всех осветительных приборов и устройств, оснащенных дисплеями: ноутбуков, планшетов, смартфонов и мобильных телефонов, а так же у настольных и потолочных ламп и прочих источников света. Для измерения коэффициента пульсаций освещённости необходимо:

положить люксметр-пульсметр на рабочий или школьный стол, на пол или любую другую поверхность, при этом световой поток должен падать на фотодатчик;
если используется многофункциональное устройство, например, RADEX LUPIN, тогда достаточно перейти в режим пульсметра - нажать кнопку «P»;
считать результат с дисплея.

Для измерения пульсаций мониторов, экранов, светодиодных и других ламп необходимо:

люксметр-пульсметр поднести как можно ближе к объекту измерений при этом фотодатчик должен быть направлен в сторону измеряемого объекта;
если используется многофункциональное устройство, например, RADEX LUPIN, тогда достаточно повернуть фотодатчик в сторону объекта измерений и перевести люксметр в режим пульсметра - нажать кнопку «P»;
считать результат с дисплея.

На достоверность результатов измерений могут повлиять следующие факторы:

наличие дополнительных источников света;
перемещение пульсметра при выполнении измерений - прибор должен оставаться неподвижным;
прочие помехи - перемещающиеся поблизости предметы и люди, в том числе падающие листья, пролетающие птицы и насекомые и т. д..

Важно! Для точных измерения пульсации люминесцентных, светодиодных и газоразрядных ламп необходимо выждать 5 минут, пока они не выйдут на стабильный режим работы. Намного удобнее работать с пульсметром RADEX LUPIN, так как он оснащен поворотным фотоэлементом.

В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 предельно допустимое значение пульсаций для мастерских, санузлов и зон ожидания составляет 20 %, для офисов - 15 %, жилых комнат и спален - по 10%, детских, рабочих мест операторов ПК, кабинетов и библиотек - 5 %. Важно помнить, мы не всегда в состоянии увидеть, как мерцает лампа, но превышение допустимого уровня коэффициента пульсации негативно сказывается и на состоянии нервной системы, и на работоспособности, и на настроении.

Измерение освещенности

Освещенность - физическая величина, представляющая собой отношение светового потока, падающего на единицу площади, не зависит от направления. Единица измерения - Лк (лм/м2). Измерение освещенности люксметром позволяет проверить условия труда и быта, создать подходящие условий для растений и животных, определить характеристики видеоаппаратуры:

люксметр необходимо поместить горизонтально в точке измерения, если необходимо определить освещенность рабочего места - прибор надо положить на стол так, чтобы фотодатчик был направлен к источнику или источникам света;
при использовании люксметра RADEX LUPIN, нужно перейти в режим измерения освещенности - нажать кнопку «E»;
считать результат с дисплея.

Измеритель освещенности определяет количество света, попадающего на поверхность со всех источников, поэтому если необходимо узнать параметры определенного осветительного прибора, все остальные необходимо выключить.

В соответствии с САНПИН 2.2.1/2.1.1.1278-03 минимальная освещенность парт (столов для хобби), комнат для инженеров - составляет 500 Лк, комнат для групповых занятий дошкольников, поверхности компьютерных столов и в читальных залах - 400 Лк, кабинетов, библиотек и слесарных мастерских - 300 Лк.

Плохая освещенность способствует развитию близорукости и других проблем со зрением, вызывает усталость, негативно сказывается на производительности труда. Особое внимание необходимо уделять освещению учебных мест, так как во время чтения, письма или работе на компьютере при недостатке света глаза сильно перенапрягаются. Для измерения освещенности не надо приглашать профессионалов, достаточно обзавестись люксметром RADEX LUPIN. Стоит не дорого, как обычный бытовой люксметр, зато по точности измерений не уступает профессиональному измерительному оборудованию.

Измерение яркости

Яркость - интенсивность излучения света поверхностью источника света, измеряется в кандел на м 2 . Зависит от отражающей способности покрытия. Так, при одной и той же освещенности яркость может отличаться. Низкая или чрезмерно высокая яркость осветительных устройств и экранов может вызывать дискомфорт. В результате снижается способность к концентрации внимания, падает производительность труда.

В основном измеряют яркость мониторов, экранов и дисплеев. Определить этот параметр у осветительных приборов сложнее - из-за криволинейности поверхности затруднительно получить достоверный результат, кроме того, высокая яркость не гарантирует достаточной освещенности. Измерение этого параметра бытовым яркомером RADEX LUPIN осуществляется накладным способом:

перейти в режим измерения яркости - в RADEX LUPIN необходимо нажать кнопку «L»;
вывести на экран белый фон;
установить фотоэлемент как можно ближе к измеряемому монитору, дисплею или лампе, если осветительный прибор нагревается, держать его на расстоянии 1 см от поверхности;
считать результат.

При проведении измерений прибор следует удерживать неподвижно. С целью повышения достоверности результата необходимо определить яркость в нескольких точках лампы или экрана, после чего рассчитать усредненное значение. При работе на ПК рекомендуется, чтобы в поле зрения не находилось источников света, яркостью более 200 кд/м2.

Программное обеспечение RadexLight для люксметра RADEX LUPIN

Анализ параметров освещения намного удобнее проводить с помощью бесплатного программного обеспечения RadexLight. Для этого необходимо скачать RadexLight - софт распространяется бесплатно. Программу можно скачать со страницы описания люксметра.

Функции программы:

получение информации о световом потоке;
построение частотного спектра пульсаций;
вывод параметров измерения;
определение коэффициента пульсации;
отключение фильтра 300 Гц - данная функция предусмотрена только в программе, на приборе она отсутствует.

Информация на монитор выводится в виде графиков, что позволяет получить полное представление об амплитуде, частоте и форме светового потока.

Как улучшить качество освещения?

Чаще всего отклонения в работе осветительных приборов вызваны их низким качеством. Высокая пульсация характерна для недорогих люминесцентных ламп с электромагнитной регулировкой пуска. В устройствах с электронными пускорегулирующими аппаратами уровень пульсаций ниже. Лучший способ понизить уровень пульсации - заменить лампы или светильник. Чтобы измерить мерцание светодиодной лампы и проверить качество светодиодных и других ламп, а точнее их характеристик при покупке, можно компактным люксметром RADEX LUPIN, который обеспечивает высокую точность измерений.

Для снижения пульсации дисплеев и экранов придется поэкспериментировать с настройками. Например, повышать яркость до тех пор, пока уровень пульсаций не станет нормальным. Одновременно с этим можно подстроить цветовую палитру таким образом, чтобы при взгляде на экран не возникало дискомфортных ощущений. Для повышения освещенности можно заменить лампы или помимо основного источника света использовать вспомогательные: настольные лампы или бра.

Чем измерять параметры ЛАМП

В соответствии с ГОСТ Р 54944-2012 для измерения освещенности необходимо использовать приборы с максимальной погрешностью 10 %. Как правило этому требованию соответствуют дорогостоящие люксметры, стоимость которых настолько высока, что их не приобретают для измерения параметров света в бытовых условиях. Так было до недавнего времени, пока не появился люксметр RADEX LUPIN , с помощью которого можно определить освещенность, коэффициент пульсации и яркость. Погрешность измерений составляет 10 %.

Называются люксметры. Они используются для проверки соблюдения норм освещенности помещений, рабочих мест при проведении оценки условий труда, при проведении различных исследований.

Приборы современного уровня обладают повышенной точностью измерений, большим набором опций, компактными размерами. Их принцип действия основан на инновационных технологиях научного прогресса. Дизайн и функциональность таких приборов постоянно совершенствуются.

Нередко люксметр производят в виде универсального прибора. Они могут измерять коэффициент пульсации света, его яркость. При помощи люксметра точно и быстро можно определить освещенность комнаты, для того, чтобы принять меры к оптимизации освещения помещения. Недостаточная освещенность способствует ухудшению самочувствия, снижению остроты зрения, а также производительности труда.

На освещенность помещения влияют следующие факторы:

Способность отражения света окружающей обстановки.
Удаленность до источника.
Световой поток источника.
Число источников света.

Устройство и работа

Любой люксметр содержит в своей конструкции основной компонент – . Это датчик, выполненный на основе полупроводникового элемента. В нем световые кванты (фотоны) осуществляют передачу световой энергии электронам. В итоге образуется электрический ток.

Сила этого тока напрямую зависит от интенсивности освещенности в месте измерения и расположения фотодатчика.

Другим важным составляющим элементом люксметра является индикатор, который может быть как цифровым, так и аналоговым в виде стрелки со шкалой. В механических люксметрах электрический ток воздействует на стрелку индикатора и приводит ее во вращение.

Цифровые приборы преобразуют аналоговый сигнал электронным конвертером, с последующим выводом результата на дисплей. Узлы преобразователя и фотоприемника изготавливаются как отдельными блоками с соединением кабелем, либо в одном монолитном корпусе.

Виды и особенности

Люксметры используются внутри и снаружи помещений. По своей конструкции они отличаются по видам:

С выносным датчиком . Прибор подключается к датчику гибким проводом. Такое исполнение наиболее удобно применять для измерений освещенности в труднодоступных местах, где необходимо измерить показатели с различных направлений. Особенно популярно такое исполнение модели при оценке условий труда.

Прибор в виде моноблока . Датчик закреплен жестко на корпусе. Иногда предусматривается снятие датчика. Такая модель незаменима при быстрых оперативных измерениях. Она имеет малую массу и удобна в работе, но менее удобна в местах с трудным доступом.

По типу индикатора приборы делятся:

Стрелочные . Приборы с аналоговым индикатором в виде стрелки зарекомендовали себя со старых времен. Ими легко и удобно пользоваться. Шкала прибора отградуирована в люксах. Однако точность измерения стрелочных люксметров невысока.

Цифровые . Электронным цифровым люксметром пользоваться намного удобнее. Индикатор выдает показания в цифровом виде. Точность такого прибора значительно выше аналоговой модели.

Простые приборы способны отображать на индикаторе только освещенность, и применяются для быстрых измерений. Более дорогостоящие устройства умеют по нескольким замерам рассчитать среднее значение освещенности. Они имеют высокую эффективность при проведении оценки условий труда, так как могут отслеживать неравномерность освещенности.

Множество функций имеют приборы с встроенной внутренней памятью. Они способны выполнять передачу информации на компьютер для дальнейшей обработки, создают удобство управления информацией.

Профессиональные люксметры имеют свои особенности. Они оснащаются специальными светофильтрами, которые приближают чувствительность спектра датчика к особенностям глаза человека. Это дает возможность эффективнее измерять свойства потока света, излучаемого источниками с разными оттенками цвета. Для осуществления замеров в условиях повышенной яркости света люксметры оснащаются поглощающими фильтрами, значительно расширяющими интервал измерения этих устройств.

Правила измерений

Перед началом работы необходимо расположить люксметр или выносной датчик на измеряемую поверхность. Плоскость чувствительного фотодатчика должна располагаться параллельно освещенной поверхности измерения.

Естественное и искусственное освещение измеряется отдельно. При этом не допускается попадание тени и влияния электромагнитного излучения на прибор, так как это создаст погрешности в результатах.

После проведения измерений рассчитывают нужные параметры, и производится оценка освещенности. Далее итоги измерений сравнивают с нормативными данными и делают вывод.

Особенности пользования приборами

В аналоговом приборе перед измерением стрелка должна быть на нуле.
Если освещенность с насадками на фотоэлемент оказалась меньше 30 люкс, то их необходимо снять и продолжать измерения без насадок.
Нельзя допускать влияния света от посторонних приборов освещения.
Движение прибора при измерении создаст погрешность в результатах.

При приобретении люксметра необходимо учесть:

Функциональность прибора в зависимости от требований к поставленной задаче.
Интервал измерений освещенности.
Точность измерений.
Класс устройства (бытовой, профессиональный).
Габаритные размеры. Это влияет на удобство проведения измерений. Если прибор помещается в одной руке, то работать гораздо удобнее.
Вид питания прибора. При измерениях приходится передвигаться по помещению. Если предусмотрено питание от бытовой сети, то менее удобно, так как провод питания будет мешаться, возможно потребуется удлинитель). Наиболее удобны в этом плане люксметры на батарейках или аккумуляторах. Это более мобильные устройства.
Функция совместимости прибора с компьютером. Для профессиональных задач эта возможность является незаменимой.
Параметры экрана. Результаты замеров приходится постоянно считывать с дисплея. Чем больше размер экрана и крупнее символы изображения, тем удобнее и проще работать. Дополнительным преимуществом будет наличие подсветки экрана. При слабом свете без подсветки информация на экране будет плохо видна.

Если необходим прибор для быстрых оперативных замеров для настройки световых систем или выполнения инспектирования, то для этого вполне хватит люксметра в виде моноблока невысокой стоимости.

Для проведения оценки условий труда необходимо применять модели с наименьшей погрешностью, повышенным разрешением и с встроенной памятью для регистрации данных. Для таких задач наиболее эффективными оказались люксметры с выносным отдельным фотодатчиком. Они обладают повышенной точностью и практически не зависят от влияний внешней среды.

В торговой сети имеются приборы для любых целей и различной стоимости. Поэтому не составит особого труда сделать оптимальный выбор и приобретение люксметра.

Статья посвящена разработанным ООО «НТП «ТКА» приборам для измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников оптического излучения, в том числе и светодиодов.

Необходимость оперативного и достоверного измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников излучения в видимой области спектра, таких как координаты цветности, коррелированная цветовая температура, коэффициент пульсации, яркость, освещенность и облученность, очевидна. Она продиктована стремительным развитием альтернативных источников оптического излучения (светодиодов), появлением различных вариантов дисплеев и световых табло, а также технологическими процессами, использующими источники оптического излучения.

Некоторые особенности построения приборов для измерения основных световых характеристик источников света

Измерение освещенности и яркости является простой фотометрической процедурой. Вместе с тем при проектировании и производстве люксметров и яркомеров приходится сталкиваться с достаточно серьезными проблемами по обеспечению соответствия выпускаемых приборов требованиям нормативных документов.

Так, например, фотоприемные устройства (ФПУ), являясь основной частью прибора для измерения оптического излучения, должны отвечать ряду электрических и фотометрических требований, зависящих от области применения и назначения. При разработке и производстве приборов для измерения параметров излучения необходимо знание этих требований, их особенностей, трудностей создания и путей их преодоления.

Устройство для формирования пространственной характеристики (входное устройство) формирует угол зрения, величина которого определена назначением разрабатываемого прибора. Так, например, входное устройство люксметра или пульсметра рассчитывается исходя из следующих соображений.

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником излучения, произвольно расположенным под углом. к ее нормали (рис. 1), определяется выражением:

Е = Е 0 ×сosβ, (1)

где Е 0 - освещенность, создаваемая точечным источником, расположенным нормально относительно поверхности; β - угол между нормалью и направлением на источник.

Рис. 1. Произвольно расположенный источник

Очевидно, измерения прибора, измеряющего освещенность, должен подчиняться такому же закону. Практически реализовать это условие без принятия определенных мер невозможно из-за зависимости коэффициента отражения поверхности оптических элементов приемной системы от угла падения излучения, описываемой формулой Френеля (2). Для выполнения этого условия приходится включать в оптическую схему фотоприемного устройства так называемую косинусную насадку, формирующую необходимый угол зрения и компенсирующую погрешность, вносимую поверхностным отражением оптических элементов.

Наиболее оптимальная косинусная насадка для рабочих средств (рис. 2) измерения оптического излучения представляет собой выполненный из молочного стекла элемент, равномерно рассеивающий падающее излучение по всем направлениям, обеспечивая тем самым выполнение закона Ламберта, согласно которому яркости светорассеивающей поверхности во всех направлениях одинаковы.

Рис. 2. Цилиндрическая косинусная насадка для рабочих средств

Поверхность материалов, используемых во входных устройствах, отражает падающее излучение по закону Френеля:

где φ 1 - угол между падающим на поверхность лучом света и нормалью; φ 2 - угол между преломленным лучом и нормалью. Графически эта зависимость представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения поверхности материала от угла падения

Это означает, что фотоприемное устройство регистрирует излучение, не отвечающее соотношению (1) при углах более 60°, т. е. отличное от реального излучения.

Для компенсации потерь отраженного излучения используют боковую грань диска из молочного стекла. Величина потока излучения, прошедшего внутрь стекла через боковые грани, пропорциональна величине цилиндрической освещенности. Под средней цилиндрической освещенностью понимают среднюю освещенность боковой поверхности вертикально расположенного цилиндра. Она определяется выражением:

где β - угол падения света от точечного источника на боковую поверхность вертикально расположенного цилиндра.

Световой поток Ф, попадающий на используемый в ФПУ светочувствительный элемент, является функцией отражения (ρ) и пропускания (τ) используемого материала, освещенности плоской поверхности (Е п) и цилиндрической освещенности боковой грани (Е ц):

Аналитически описать эту связь достаточно сложно из-за разброса параметров используемых материалов и геометрических размеров составляющих ФПУ элементов. При разработке и изготовлении ФПУ эмпирически находится оптимальное сочетание характеристик (марки молочного стекла, его толщины и высоты боковой поверхности, выступающей над корпусом), обеспечивающее заданную погрешность (1–2%), определяемую отличием полученной пространственной характеристики от теоретической.

Кроме того, при создании приборов для измерения оптического излучения необходимо решить задачу приведения спектральной характеристики чувствительности кремниевого фотодиода к относительной световой спектральной эффективности V(λ), табулированные значения которой регламентированы решениями комиссии МКО и ГОСТ 8.332.

Спектральная коррекция чувствительности фотоприемника Sф(λ) к заданному виду S(λ) осуществляется, как правило, цветными фильтрами. При этом коэффициент пропускания Т(λ) определяется соотношением:

Существует два основных способа расположения корригирующих светофильтров перед фоточувствительным элементом (рис. 4).

Рис. 4. Способы расположения корригирующих светофильтров: а) субтрактивный; б) субтрактивно-аддитивный (схема Дреслера)

В первом случае цветные фильтры с подходящими спектральными характеристиками располагаются последовательно друг за другом. При таком расположении (рис. 4а) излучение, прежде чем попасть на фотоприемник, последовательно фильтруется в каждом фильтре.

Другой способ расположения фильтров с требуемыми спектральными характеристиками показан на рис. 4б. При этом расположении, называемом схемой Дреслера, некоторые фильтры размещаются рядом один с другим. Различные части светового потока по-разному пропускаются фильтрами, прежде чем поток достигает приемной площадки фотоприемника. Результирующая кривая спектрального пропускания комбинации может эффективно регулироваться путем изменения относительного размера отдельных компонентов. Выполненные по такому принципу корректирующие фильтры могут с высокой степенью точности приблизить относительную спектральную чувствительность фотоприемника к идеальным значениям V(λ) при относительно высоком пропускании в максимумах кривых. Обычно на практике в частности и в расчете рассматриваемых приборов используется первый способ расположения светофильтров ввиду его технологичности и простоты расчетов.

Рассмотрим пример приведения спектральной характеристики кремниевого фотодиода Sф(λ) к относительной световой спектральной эффективности V(λ) (рис. 5).

Рис. 5. Вид кривых спектральной чувствительности кремниевого фотодиода S(.) и заданной меры V(.)

Характеристика S(λ) приводится к заданной кривой с помощью исправляющего фильтра, который может быть составлен из цветных стекол (рис. 6).

Рис. 6. Коррекция спектральной чувствительности фотоприемника с помощью цветных фильтров

Общий коэффициент пропускания исправляющего светофильтра рассчитывается по формуле:

где i - номера цветных стекол, составляющих светофильтр, к i (λ) - показатель поглощения цветных стекол с индексом, соответствующим номеру цветного стекла, t i - толщина соответствующих цветных стекол.

Тип стекол и их количество выбирались полуэмпирическим способом, исходя из наличия производимых и доступных для использования марок. Так, например, для видимой области спектра пригодными для коррекции оказались следующие цветные стекла: СЗС-21, СЗС-22, СЗС-23, ЖС-20, ЖЗС-5, ЖЗС-6, ОС-5. Из группы сине-зеленых стекол (СЗС) было выбрано СЗС-21, так как оно хорошо подавляет излучение в ближней ИК-области спектра (760–1200 нм), где наблюдается максимальная чувствительность кремниевых фотодиодов (λ max = 800–900 нм), выбранных для коррекции. Оранжевое стекло ОС-5 взаимозаменяемо со стеклом ЖС-20, а желто-зеленое стекло ЖЗС-6 взаимозаменяемо со стеклом ЖЗС-5.

Выбор марки стекол и их толщины и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего светофильтра осуществляется таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие: τ(λ)= V(λ)/Sф(λ).

Строгое выполнение этого условия на всех длинах волн для серийных цветных стекол и фотоприемников практически невозможно. Всегда будет иметь место отступление реально выполненной кривой S(λ) = Sa(λ)..(λ) от заданной, которое необходимо оценить в зависимости от назначения и способа градуировки фотометра, где применяется исправляющий светофильтр.

Оценка погрешности коррекции фотоприемника производится по методике, разработанной МКО (публикация № 53). Расчет погрешности коррекции фотометрической головки f 1 (Z) основан на отличии реакции на излучение идеального фотоприемника, табулированное значение спектральной чувствительности которого известно, и реального фотоприемника, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.

где S(λ) - относительная спектральная чувствительность исследуемого фотоприемника; SV(λ) - относительная спектральная чувствительность эталонного фотоприемника; Фa(λ) - относительное спектральное распределение источника «А», при котором производится градуировка; Ф i (λ) - относительная спектральная характеристика табулированных источников.

Приборы для измерения оптического излучения

Люксметры нового поколения «ТКА-Люкс» (рис. 7) и «ТКА-ПКМ-31» являются в настоящее время самыми востребованными и имеют метрологические характеристики на уровне приборов лучших мировых производителей рабочих средств измерения. Диапазон измерения освещенности в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 6–8%.

Рис. 7. Внешний вид люксметра «ТКА-Люкс»

«ТКА-Люкс/Эталон» является первым российским люксметром, метрологические характеристики которого отвечают требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам. Он предназначен для измерения освещенности в видимой области спектра 380–760 нм, создаваемой стандартными источниками оптического излучения, расположенными нормально относительно приемника. Люксметр предназначен для практической реализации Государственной поверочной схемы средств из мерений световых величин в соответствии с ГОСТ 8.023-2000. Этот прибор по точности воспроизведения и передачи размеров единиц силы света и освещенности обеспечивает метрику прецизионных и рабочих средств измерений и отличается временной стабильностью и достоверностью. Допускаемая прибором основная относительная погрешность измерения освещенности не превышает 6,0%.

Разработанный комбинированный прибор люксметр+яркомер «ТКА-ПКМ» (02) служит для измерения освещенности (в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 8%) и яркости накладным способом (в диапазоне 10–200 000 кд/м 2 с погрешностью 10%) самосветящихся протяженных объектов (рис. 8).

Рис. 8. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ» мод.0,2

Прибор отличается от традиционных яркомеров отсутствием в схеме оптических элементов (линзы, объектива), что значительно упрощает конструкцию и удешевляет стоимость прибора при сохранении его точностных характеристик.

Для дистанционного определения яркости протяженных источников разработан недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям прибор для измерения яркости киноэкранов яркомер «ТКАЯР» (рис. 9), представляющий собой портативный малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения (Hold). Наводка на измеряемый объект осуществляется с помощью лазерного прицела.

Рис. 9. Внешний вид яркомера «ТКА-ЯР»

Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируемый объектив. Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций. При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния. Прибор имеет следующие технические характеристики:

угол зрения - 1,0–1,5°;
диапазон измерения - 10,0–2000,0 кд/м2;
спектральная коррекция - 2,0%;
суммарная погрешность - 10,0%;
расстояние до измеряемого объекта - не менее 7,0 м.

Измерение коэффициента пульсации источников излучения

Излучение источников света при питании от сети переменного тока (как правило, с частотой 50 Гц) является пульсирующим. Частота пульсации при этом равна удвоенной частоте питающего напряжения 100 Гц. В качестве критерия оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников излучения при питании их переменным током введен коэффициент пульсации освещенности (Кп), выражаемый формулой:

где Еmax - максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еmin - ее минимальное значение, Еср - среднее значение освещенности (рис. 10).

Рис. 10. Временная характеристика пульсирующей освещенности

Рис. 11. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ (08)»

Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков: фотоприемной части (ФПУ) и блока обработки информации. В блоке обработки информации размещена электронная схема, состоящая из АЦП (аналого-цифрового преобразователя), ЖКИ (жидкокристаллического индикатора) и процессора ADuС.

Прибор работает следующим образом. Сигнал с ФПУ подается на предварительный усилитель, где происходит одновременно с усилением сигнала и его масштабирование.

Усиленный сигнал подается на вход АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровой сигнал с выхода АЦП подается в микропроцессор для дальнейшей обработки. Проводится серия измерений с периодом 10 мс и определяются максимальное, минимальное и среднее значения освещенности.

Обработка сигнала ведется не синфазно периодам колебаний. В процессе измерения производится анализ нескольких периодов, и значения результатов выборок усредняются. Результат - значения max, min и среднее определяются в единицах освещенности лк. После нахождения параметров сигнала по формуле (8) вычисляется значение коэффициента пульсации.

Определение коэффициента пульсации источников излучения и освещенности выполняется прибором «ТКА-ПКМ (08)», информация в нем обрабатывается микропроцессором. Этот пульсметр-люксметр имеет следующие технические характеристики:

диапазон измерения коэффициента пульсации - 0–100%;

диапазон измерения освещенности - 10–200 000 лк;

погрешность измерения не превышает 10%.

Измерение полного светового потока

Важной световой характеристикой излучения светодиода является световой поток Ф (лм), определяющийся как интеграл всего потока излучения, заключенного под пространственной индикатрисой излучения (рис. 12).

Рис. 12. Пространственное распределение силы света светильника

Необходимо при этом отметить, что индикатрисы излучения светодиодов (в отличие от ламп накаливания) могут принимать самые причудливые формы. Эта особенность в немалой степени помогла в выборе нами пути построения измерительного прибора.

Способы измерения полного светового потока

Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока:

гониометрический метод;
метод «интегрирующей сферы».

Гониометрический метод

Метод основан на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол. Используемые для этих целей приборы - гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг несколько угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственного распределения.

На основании этих данных рассчитывается световой поток. Получение светового потока светодиода Ф с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nI v (Θ) при n→∞) и последующим вычислением среднего значения Ф:

Процесс измерения полного светового потока гониометрическим методом является перспективным с точки зрения точности и информативности, но требует серьезных материальных затрат и времени.

Для оперативного проведения простых технологических измерений полного светового потока нами был выбран так называемый метод «интегрирующей сферы», изложенный М. М. Гуревичем . В нем неизвестный световой поток сопоставляется с заранее вычисленным световым потоком образцового осесимметричного источника. Этот метод позволяет проводить измерения светового потока источника с произвольным распределением излучения в окружающем пространстве на порядки быстрее, чем гониометрический метод (рис. 13).

Рис.13. Измерение светового потока с помощью фотометрического шара

Такое сопоставление производится с помощью фотометрического шара, имеющего достаточно большой диаметр, окрашенного изнутри матовой белой краской и рассеивающего свет в соответствии с законом Ламберта.

Теория фотометрического шара показывает, что световой поток, рассеиваемый его внутренней стенкой, распределяется по ней весьма равномерно. Поэтому если внутрь полой сферы, стенка которой имеет во всех точках одинаковый коэффициент отражения ρ, поместить источник S, излучающий световой поток Ф, то отраженный от стенки шара поток ρФ создаст во всех точках одну и ту же освещенность

где r - радиус поверхности шара.

Вторично отраженный световой поток ρ 2 Ф снова равномерно распределится по стенке шара, и дополнительная освещенность окажется:

Общую (суммарную) освещенность в некоторой точке М на внутренней поверхности шара можно рассчитать следующим образом:

где E и - освещенность в некоторой точке М при непосредственном падении света на поверхность шара. Очевидно, что эта величина не будет одинакова во всех точках, поскольку зависит как от положения источника S внутри шара, так и от его светораспределения.

Однако если с помощью малого непрозрачного экрана Э (рис. 13), помещенного вовнутрь шара, защитить от попадания света непосредственно от источника малый участок стенки около точки М, то освещенность этого участка будет следующая:

где α - коэффициент пропорциональности, зависящий только от свойств шара.

Поэтому если испытуемый источник S со световым потоком Ф заменить внутри шара на образцовый источник S 0 c известным световым потоком Ф 0 , то очевидно, что освещенность в точке М будет:

Или, разделив выражение (14) на (15), получим:

Рис. 14. Вариант измерения полного светового потока светодиода

Установив тем или другим способом отношение освещенностей, можно определить световой поток Ф интересующего нас источника.

В связи с тем, что излучение светодиодов направленное, и угол излучения не превышает 2. возможно упрощение конструкции прибора за счет установки исследуемых светодиодов в стенке шара. Тем самым снижается количество элементов конструкции внутри шара и, следовательно, его геометрические размеры. Шар выполняется с двумя отверстиями. За первым размещается фотодиод с молочным стеклом и набором корригирующих светофильтров, а за вторым - исследуемые светодиоды (рис. 14).

Определив реакцию фотодиода на излучение - например, фототоки, возникающие в измерительной цепи, - находим отношение i/i 0 и Е/Е 0 , которые можно считать равными между собой, и вычисляем световой поток Ф согласно выражению (16).

В результате реализации на практике вышеизложенного метода мы получили рабочее средство измерения полного потока, показанного на рис. 15. Погрешность измерения полного светового потока белых светодиодов составила 7,0%, цветных светодиодов - 10,0%.

Рис. 15. Внешний вид опытного экземпляра прибора «ТКА-КК» для измерения полного светового потока излучающего светодиода

Рис. 16. Фотоприемное устройство (ФПУ) спектроколориметра

Дополнительные погрешности суммарной спектральной коррекции, возникающие из-за селективности коэффициента отражения интегрирующей сферы, достаточно просто устраняются коррегирующими фильтрами. Измерения полного светового потока могут проводиться за считанные секунды операторами любого уровня квалификации (рис. 15).

Измерение цветовых характеристик источников оптического излучения

Общая концепция построения приборов

Приборы ООО «НТП «ТКА» для определения цветовых характеристик источников (спектроколориметры) основаны на измерении спектрального состава оптического излучения с последующей математической обработкой результатов.

Координаты цвета источников определяются значениями трех интегралов, взятых в пределах видимого спектра:

где Ф еλ (λ) - спектральная плотность потока излучения; x‾(λ),y‾(λ),z‾(λ) - удельные координаты цветности.

Координаты цветности рассчитываются:

Фотоприемное устройство спектроколориметра показано на рис. 16.

Излучение исследуемого источника, пройдя отделение для формирования пространственной характеристики (1), попадает в диспергирующее устройство. Устройство представляет собой полихроматор (2) с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой (3). Рабочий спектральный диапазон обусловлен характером поставленных задач.

При определении коррелированной цветовой температуры спектральная плотность энергетической светимости М еλ (Вт·м3) абсолютно черного тела (АЧТ) определяется в соответствии с законом Планка по формуле:

Координаты цвета АЧТ при данной температуре Т рассчитываются по формулам (17). Затем применяется переход от системы цветовых координат х, у МКО 1931 г. в более равноконтрастную систему u’, v’ МКО 1976 г. по следующим формулам:

Такой же пересчет цветности производится для исследуемого источника излучения. Затем определяется массив координат цветности АЧТ и соответствующий массив температур.

Минимальное расстояние в пространстве u, v между точкой цветности исследуемого источника (u0’, v0’) и точками цветности массива линии АЧТ (ui’, vi’) (рис. 17) определяется по формуле:

Рис. 17. Линия АЧТ в системе цветовых координат u’,v’

Затем сопоставляется рассчитанный массив цветности и массив температур АЧТ и определяется температура исследуемого источника Тj, соответствующая определенной точке цветности (u j , v j).

Разработанный спектроколориметр «ТКА-ВД» предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат (рис. 18). Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора (380–760) нм. Диапазон линейности сигналов достигает шести порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Спектральное разрешение прибора не превышает 3 нм.

Рис. 18. Внешний вид спектроколориметра «ТКА-ВД»

Заключение

В заключение хочется отметить следующее. Прибор становится измерительным средством тогда, когда он метрологически обеспечен. Порой на метрологию затрачиваются усилия, соизмеримые с усилиями, затраченными на разработку самого прибора. ООО «НТП «ТКА» оснащено современным, в том числе уникальным оборудованием, которое обеспечивает проведение калибровочных и поверочных (силами «Тест-Санкт-Петербург») работ при выпуске приборов серии «ТКА». По каждому типу приборов имеется утвержденное метрологическое обеспечение измерений и эталоны соответствующего уровня, госповерка которых ежегодно проводится в уполномоченных организациях Госстандарта РФ. Специалистами центра проводятся консультации по вопросам возможности применения приборов для решения конкретных задач и даются рекомендации по наилучшему выбору среди них. По заданию министерств, ведомств и отдельных заказчиков выполняются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные как с разработкой новых типов приборов, так и с исследованиями воздействия физических факторов на материальные объекты и изучением происходящих в связи с этим изменений.

Литература

www.ledcommunity.ru (Сайт объединения людей, сфера деятельности которых связана со светодиодной индустрией.)
Заутер Г., Линдеманн М., Шперлинг А., Оно О. Фотометрия светодиодов // Светотехника. 2004. № 3.
Никифоров С. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации // Компоненты и технологии. 2007. № 7.
Круглов О. В., Кузьмин В. Н., Томский К. А. Измерение светового потока светодиодов // Светотехника. 2009. № 3.
Сапожников Р. А. Теоретическая фотометрия. Л.: Энергия. 1977.
Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат. 1983.

Добрый день читатели ресурса. Сегодня в обзоре речь пойдет о приборе способном измерить степень освещенности площади, то есть параметр который важен человеческому взгляду. На всех световых приборах и лампах мы постоянно видим разные цифры, которыми производители щеголяют и пытаются убедить, что именно их товар лучше остальных. Но хитро умалчиваются детали: в каких условиях, с какой стороны и с какого расстояние были сделаны все эти замеры для упаковки. Кто хочет разобраться прошу под кат.

Зачем мне понадобился такой прибор в целом? Началось все с идеи заменить все освещение на светодиодное, не только у себя дома, но и на работе. Купив пару светодиодных ламп в местных магазинах я откровенно был не доволен количеством света от них. Лампы на которых гордо красовалось 10W=100W еле высвечивали половину от громко заявленных показателей, при этом цена такой лампы была около 10 долларов. Есть конечно один производитель с местных магазинах, который делает действительно честные светодиодные лампы, но цена кусается. В местный магазин вернуть товар достаточно легко не понравилось принес назад - получил деньги, по крайней мере в больших сетях с этим проблем нет.
Стал я искать замену более дешевую, но с тем же качеством в Китае. Раньше все вопросы с некачественным лампам решались фотографиями замеров мощности и я всегда выиграл в спорах и видимо не только я. Но через некоторое время китайцы стали хитрее и начали разнообразными способами увеличивать потребляемую мощность ламп, но при этом уровень светового потока оставался по прежнему очень плохим. В результате этого возникла необходимость измерения именно количества света на единицу площади.

Выбрал эту модель из за выносного датчика и из за цены. Правда чтоб воспользоваться купоном пришлось поступить немного не честно, в конце обзора расскажу подробнее.

Общий вид

Коробочка люксметра слегка пострадала, как будто на ней кто то сидел всю дорогу.

Внутри сумочка на молнии с петлей для ремня, ну чтоб на пояс можно было повесить. Между стенками скорее всего мягкий паролон.

Внутри в кармашки уложены основной блок и выносной датчик, сверху валялась инструкция.

В инструкции указаны технические характеристики и нормы по освещению для помещений разного предназначения.

Сам люксметре выглядит примерно вот так:

Немного подробнее:

Основной блок с экраном и переключателем градаций измерения. Так как на экране всего 4 цифры, чтоб отобразить большии значения используются множителия х100 х1000. Буква Н - это положение Hold, чтоб зафиксировать измеренное значение.

Сам прибор питается от 9В батарейки с народным названием «крона». Батарейка как и обещано в комплект не входит и была вынута из мультиметра.

Светочувствительный модуль.
Представляет собой световой датчик, закрытый белой пластиковой полусферой. Чтоб не поцарапался и не загрязнился пластик датчик закрывается крышечкой. Крышечка может потеряться и ее предусмотрительно повесили на цепочку. В целом позаботились обо всем и мне такой подход понравился.

Измерения

Пришло время попробовать прибор в действии. Включаем. Если прибор с открытым выносным датчиком все равно показывает нули необходимо перевести рычаг чувствительности в более высокое положение.

Немного вспомним школьный курс физики:
Световой поток характеризует источник света, а освещенность – поверхность, на которую падает свет. Освещенность измеряется в люксах (Лк). Источник света со световым потоком в 1 Лм, равномерно освещающий поверхность площадью 1 кв.м, создает на ней освещенность в 1 Лк. То есть Люкс – это соотношение количества люмен и освещаемой площади и
1 люкс = 1 люмен на квадратный метр.

Дальнейшие измерения сделаны в показательных целях и значения будут превышать действительные. Насколько я правильно понял, чтоб добиться более точных показателей необходимо мерить световой поток с расстояния 1 м. Я мерил или впритык или на расстоянии 30 см.
Прошу в камментах знающих людей просветить на какой удаленности от источника необходимо делать замеры.

Первый кандидат LED лампа с честным светом 1200 люменов. Получилось аж 2290 люкс с расстояния приблизительно 40 см.

Люминесцентная лампа T8 мощностью 18 W через пластиковый колпак при измерениях на расстоянии 10 см выдала 1920 люкс.

Ну и стресс-тест светодиодным фонариком на диоде Q5. Конечно тут свет сведен в пучок и объективной оценки данное измерение не несет. Хотелось просто увидеть сможет ли прибор измерить сильный световой поток. Фонарик выдавил из прибора 17770 люксов.

Как устройство работает в живую вы можете увидеть в коротком видеообзоре:

В заключении скажу, что качество изготовления прибора мне очень понравилось. Чтоб разобраться какова погрешность измерений надо сравнить его с поверенным аналогичным устройством, к сожалению такой возможности у меня нет. Еще так же надо разобрать как правильно делать измерения, особенно какое расстояние необходимо до источника для точного замера. Надеюсь узнать это из ваших комментариев.
Главный плюс, что теперь у меня появился еще один аргумент против хитрых китайских лампо-производителей.

Товар купил за свои кровные использовав купон для новых пользователей NEWORDER8, который неоднократно тут упоминался в разных обзорах. Пришлось зарегистрировать новый аккаунт, но китайцев видимо данный факт никак не смущает. Так что думаю каждый раз можно поступать так же;)

Планирую купить +15 Добавить в избранное Обзор понравился +12 +21