WPŁYW NIEDOPASOWANIA WIDMOWEGO LUKSOMIERZY NA DOKŁADNOĝû WYKONYWANYCH POMIARÓW NATĉĩENIA OĝWIETLENIA Przemysław TABAKA

Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdaskiej Nr 54 XLIX Midzyuczelniana Konferencja Metrologów

MKM 2017

Politechnika Czstochowska, 4-6 wrzenia 2017

WPŁYW NIEDOPASOWANIA WIDMOWEGO LUKSOMIERZY NA DOKŁADNO

WYKONYWANYCH POMIARÓW NATENIA OWIETLENIA

Przemysław TABAKA¹, Irena FRYC²

1. Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki tel.: 42 631 2610 e-mail: przemyslaw.tabaka@wp.pl

2. Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Elektroenergetyki Fotoniki i Techniki wietlnej tel: 85 746 9407 e-mail: i.fryc@pb.edu.pl

Streszczenie: W pracy przedstawiono zagadnienie wpływu niedopasowania widmowego luksomierza na dokładno pomiarów natenia owietlenia. W rozwaaniach uwzgldniono promieniowanie uzyskiwane przy uyciu współczenie stosowanych do celów owietleniowych ródeł wiatła.

Dokładnoci pomiaru luksomierzem została zdefiniowana przez Midzynarodow Komisj owietleniow CIE wartoci błdu f₁. Wielko tego błdu zaley od jakoci widmowego dopasowania głowicy fotometrycznej luksomierza do krzywej czułoci widmowej standardowego obserwatora kolorymetrycznego V(λ) okrelanej przy uyciu błdu niedopasowania f’₁, oraz od wzgldnego widmowego rozkładu mocy promienistej mierzonego

ródła wiatła. Wykazano, e w zalenoci od jakoci korekcji widmowej uytego luksomierza, dokładno pomiarów bdzie najmniejsza w przypadku mierzenia ródeł LED, niezalenie od wartoci ich temperatury barwowej najbliszej.

Słowa kluczowe: luksomierz, natenie owietlenia, ródła wiatła.

1. WSTP

Wyznaczanie parametrów technicznych ródeł wiatła i owietlanych obiektów jest przedmiotem zainteresowania metrologii techniki wietlnej. Pomiary wielkoci wietlnych stały si popularn praktyk w rónych dziedzinach ycia, poczwszy od fotografii a na aplikacjach przemysłowych koczc. Konieczno przeprowadzania tego rodzaju pomiarów nie wynika jedynie z doranych potrzeb producentów czy projektantów owietlenia, ale jest take efektem wynikłym z regulacji prawnych. Na terenie Polski, rozporzdzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczestwa i higieny pracy [1]

zobowizuje pracodawców do przeprowadzania pomiarów i oceny parametrów jakoci owietlenia w rodowisku pracy.

Zgodnie z wymaganiami zawartymi w tym rozporzdzeniu pracodawca zobowizany jest do zapewnienia owietlenia elektrycznego o parametrach zgodnych z wymaganiami Polskich Norm [2]. Najczciej weryfikowana jest warto

natenia owietlenia przy uyciu luksomierza wywzorcowanego w luksach. Zaleca si, aby uywane luksomierze były wywzorcowane przez akredytowane laboratorium wzorcujce tj. takie w których kalibracja luksomierzy, przeprowadzana jest zgodnie z wymaganiami zawartymi w dokumencie ISO/IEC 17025:2005 [3]. W Polsce przepisy metrologiczne o luksomierzach s

przedstawione w zarzdzeniu nr 31 Prezesa Głównego Urzdu Miar z dnia 30 marca 1995 roku. W dokumencie tym stwierdzono, e luksomierze musz odpowiada

wymaganiom zawartym w: Publikacji CIE 69–1987 [4], PN 83/E–04040 [5], PN 90/E – 01005 [6].

2. KONSTRUKCJA I PARAMETRY LUKSOMIERZY

Istnieje wiele konstrukcji tego typu mierników, jednake wszystkie musz spełnia podstawowe wymagania stawiane luksomierzom. Aby mierzone natenie owietlenia odpowiadało wartoci odniesienia, miernik ten musi spełnia

szereg wymaga. Musi on mie czuło widmow tak jak standardowy obserwator kolorymetryczny o czułoci wzgldnej oka V(λ) (rys. 1), a warto sygnału wyjciowego z miernika ma si zmienia zgodnie z funkcj kosinusa kta padania promieniowania na jego płaszczyzn pomiarow.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

1

2

Rys. 1.Krzywe czułoci widmowej: 1 – fotoogniwa krzemowego, 2 – głowicy fotometrycznej luksomierza

Współczenie luksomierze składaj si z głowicy fotometrycznej oraz z elektronicznego układu analizy i wywietlania danych. Dostpne s take aplikacje, które po zainstalowaniu na smartfonie oferuj moliwo

zarejestrowania natenia owietlenia. Warto jednak podkreli, e s to jedynie wskaniki, a nie przyrzdy pomiarowe [7]. Czci składow głowicy pomiarowej luksomierza jest detektor fotoelektryczny. Obecnie producenci mierników stosuj detektory krzemowe. Warto jednak podkreli, e czuło widmowa tych detektorów (rys. 1) w znacznym stopniu odbiega od wymaganej czułoci widmowej luksomierza V(λ), opracowanej przez

222

tym, luksomierze w swej konstrukcji zawieraj filtr korekcji widmowej (rys. 2). Zgodno wskaza miernika z kosinusem kta padania wiatła zapewnia w luksomierzu element rozpraszajcy (rys. 2).

Rys. 2. Elementy składowe typowej głowicy fotometrycznej luksomierza: 1 – element korekcji przestrzennej, 2 – zestaw filtrów

absorpcyjnych korekcji widmowej, 3 – detektor

Obecnie w ofertach handlowych dostpne s

luksomierze o bardzo zrónicowanych cenach (od kilkuset złotych do kilku tysicy). Oczywistym jest, e przyrzdy oferowane w niskiej cenie ciesz si duym zainteresowaniem kupujcych. Bardzo czsto ich koszt jednostkowy jest niszy od ceny wzorcowania. W zwizku z tym naley szczególn uwag zwraca na parametry techniczne oferowanych przyrzdów. Standard ISO/CIE 19476:2014 [8], wskazuje na 18 wielkoci charakteryzujcych jako luksomierzy. Jedynymi z istotniejszych wymaga dot. luksomierzy [7, 9] s wartoci błdu korekcji widmowej f1’ oraz błdu f1 wynikajcego z rónic w rozkładzie widmowym ródła mierzonego i kalibracyjnego.

2.1. Błd niedopasowania widmowego f1’

W praktyce pomiarowej nie ma luksomierzy, których czuło widmowa detektora została idealnie skorygowana do zalecanej przez Midzynarodow Komisj Owietleniow

(CIE) charakterystyki widmowej V(λ). Νa rysunkach 3 oraz 4 zamieszczono rzeczywiste krzywe czułoci widmowej głowic fotometrycznych kilkunastu luksomierzy. Analizujc poszczególne czułoci widmowe mona dostrzec odstpstwa od wymaganej charakterystyki widmowej V(λ), zarówno w krótkofalowym jak i długofalowym obszarze widma.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

CIE = 1,39%

= 1,44%

= 1,56%

= 3,11%

= 7,50%

= 7,74%

= 8,24%

V(λ) f '₁ f '₁ f '1 f '1 f '1 f '₁ f '1

Rys. 3. Charakterystyki widmowe: CIE V(λ) – wymagana krzywa czułoci widmowej, krzywe czułoci widmowych głowic fotometrycznych luksomierzy o wartociach błdu f₁’ < 9%

Midzynarodowa Komisja Owietleniowa (CIE) wprowadziła parametr f1’ (1) bdcy miar niedopasowania czułoci luksomierza do krzywej V(λ). Wielko f1’ definiowana jest przy kalibrowaniu luksomierza iluminantem A tj. ródłem arowym o Tb = 2856 K (rys. 5).

A zatem za pomoc jednej liczby mona opisa stopie

niedopasowania czułoci głowicy luksomierza do wymaganej krzywej czułoci widmowej.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

CIE = 9,42%

= 10,51%

= 17,57%

= 18,23%

= 40,16%

= 64,03%

V(λ)

f '₁ f '₁ f '1 f '₁ f '1 f '₁

Rys. 4. Charakterystyki widmowe: CIE V(λ) – wymagana krzywa czułoci widmowej, krzywe czułoci widmowych głowic fotometrycznych luksomierzy o wartoci błdu f₁’ > 9%

% 100 d

) (

) ( ) ( d ) ( ) (

d ) ( ) (

780

380 780

380 780 380 780

380

'

1 ⋅

−

=

λ λ

λ λ λ λ λ

λ λ λ

V

V S S E

V E

f

A A

(1)

gdzie: EA(λ) – wzgldny rozkład widmowy mocy promieniowania, przy którym przeprowadzono wzorcowanie głowicy fotometrycznej, V(λ) – wymagana wzgldna czuło

widmowa głowicy fotometrycznej, S(λ) – wzgldna rzeczywista czuło widmowa głowicy fotometrycznej.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

iluminant A 2400 K 2500 K 2800 K 3000 K

Rys. 5. Wzgldny rozkład widmowy mocy promienistej iluminantu A oraz lamp arowych (INC) o rónych mocach

Ze wzgldu na dokładno luksomierze dzieli si na cztery klasy [4]. Luksomierze o najwyszej dokładnoci (klasa L) to takie których warto błdu f1’ nie przekracza 1,5%. Dla wartoci f1’ zawartych w przedziale (1,5%, 3%

luksomierz okrelany jest jako bardzo dobrej jakoci (klasa A), natomiast luksomierze redniej jakoci to takie, których warto błdu f1’zawiera si w przedziale (3%, 6% (klasa B). Za luksomierze o niskiej dokładnoci uznaje si te których warto błdu f1’ jest wiksza od 6% ale nie przekracza 9% (klasa C).

Współczenie do owietlania wntrz (pomijajc gospodarstwa domowe), z uwagi na nisk skuteczno

wietln, w zasadzie nie stosuje si ju arowych ródeł

wiatła (rys. 5). Ich miejsce zajły bardziej wydajne lampy, do których zalicza si ródła wyładowcze (rys. 6, rys. 7) oraz diody elektroluminescencyjne LED (rys. 8) [10]. Z uwagi na inny mechanizm wytwarzania wiatła, rozkłady widmowe emitowanego przez te lampy promieniowania róni si od tego przy którym przeprowadzono wzorcowanie luksomierza. Jest to ródłem błdu pomiarowego oznaczanego, przez Midzynarodow Komisj

Owietleniow (CIE), jako f1.

Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN 2353-1290, Nr 54/2017

223

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

3000 K 4000 K 5000 K 6500 K

Rys. 6. Wzgldne rozkłady widmowe mocy promienistej

wietlówek liniowych (FL) o rónych barwach emitowanego promieniowania

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

2500 K 3000 K 4100 K 5200 K

Rys. 7. Wzgldne rozkłady widmowe mocy promienistej wysokoprnych lamp metalohalogenkowych (MH)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

wartoci wzgldne

długo fali [nm]

2700 K 3000 K 4100 K 6000 K

Rys. 8. Wzgldne rozkłady widmowe mocy promienistej LED 2.2. Błd f1

Warto błdu luksomierza f1 informujcego o wpływie zmiany ródła mierzonego na inne ni kalibracyjne, zaley od stopnia dopasowania czułoci widmowej fotoogniwa do krzywej V(λ) i od charakteru rozkładu widmowego mierzonego promieniowania (2).

Chcc korygowa wyniki wskaza, w celu okrelenia prawidłowych wartoci pomiarowych Er, naley wskazania luksomierza Ez przemnoy przez współczynniki korekcyjne k (3).

1 1 d ) ( ) ( d ) ( ) (

d ) ( ) ( d ) ( ) (

780

380

780

380 780

380

780

380

1 = − = −

k S

E V

E

V E S

E f

A Z

A Z

λ λ λ λ λ λ

λ λ λ λ λ λ

(2)

gdzie: E_Z(λ) – wzgldny rozkład widmowy mocy promieniowania rozpatrywanego ródła wiatła, pozostałe oznaczenia identyczne jak w zalenoci (1).

z

r k E

E = ⋅ (3)

3. WPŁYW NIEDOPASOWANIA WIDMOWEGO LUKSOMIERZA NA WARTO BŁDU f1

W odniesieniu do trzynastu współczenie oferowanych luksomierzy (których krzywe czułoci widmowej zamieszczono na rysunkach 3 i 4) obliczono współczynniki korekcyjne k, uwzgldniajc róne rozkłady widmowe mierzonego promieniowania (rys. 5-8). Pomimo identycznej bd podobnej barwy promieniowania wytworzonego przez róne typy lamp, współczynniki te nie bd miały jednakowych wartoci (rys. 9). Obliczone współczynniki korekcji dla rónych typów ródeł wiatła, których promieniowanie było mierzone poszczególnymi luksomierzami, przedstawiono na rysunkach od 10 do 13.

W przypadku pomiaru promieniowania emitowanego przez lampy arowe rónymi luksomierzami (take tymi spoza klasy, których warto błdu f1 przekracza 9%), rónice w zarejestrowanych wartociach nie bd znaczne (rys. 10).

0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

współczynnik korekcji

numer luksomierza

INC 3000 K FL 3000 K MH 3500 K LED 3000 K

klasa A klasa B klasa C spoza klasy

Rys. 9. Współczynniki korekcyjne dla lamp o identycznej lub podobnej temperaturze barwowej

0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

współczynnik korekcji

numer luksomierza 2400 K 2500 K 2800 K 3000 K

klasa A klasa B klasa C spoza klasy

Rys. 10. Współczynniki korekcyjne w przypadku mierzenia promieniowania emitowanego przez arówki

0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

współczynnik korekcji

numer luksomierza

3000 K 4000 K 5000 K 6500 K

klasa A klasa B klasa C spoza klasy

Rys. 11. Współczynniki korekcyjne w przypadku mierzenia promieniowania emitowanego przez wietlówki

224

0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

współczynnik korekcji

numer luksomierza 2500 K 3500 K 4100 K 5200 K

klasa A klasa B klasa C spoza klasy

Rys. 12. Współczynniki korekcyjne w przypadku mierzenia promieniowania emitowanego przez lampy metalohalogenkowe

0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

współczynnik korekcji

numer luksomierza 2700 K 3000 K 4100 K 6000 K

klasa A klasa B klasa C spoza klasy

Rys. 13. Współczynniki korekcyjne w przypadku mierzenia promieniowania emitowanego przez ródła LED

W przypadku ródeł LED, wartoci współczynników korekcyjnych, w zalenoci od uywanego luksomierza, przyjmuj wartoci zmieniajce si w granicach od 1 do 0,78.

4. WNIOSKI

Na podstawie przeprowadzonych oblicze mona sformułowa wnioski i im wiksza bdzie rónica pomidzy krzyw czułoci głowicy fotometrycznej luksomierza, a t wymagan, to tym w wikszym stopniu uzyskiwane wyniki bd uzalenione od charakterystyki widmowej mierzonego promieniowania. W celu uzyskania prawidłowych wyników (bez wzgldu na rodzaj zastosowanych ródeł wiatła) naley stosowa takie fotometry, których czuło na promieniowanie o okrelonej długoci fali bdzie w jak najwikszym stopniu zbliona do czułoci krzywej V(λ). Niestety w celu dobrego

dopasowania czułoci odbiorników fotoelektrycznych do wymaganej krzywej czułoci zachodzi potrzeba zastosowania zestawu odpowiednio dobranych filtrów korekcyjnych. Jednake wiadomo tego faktu, wród wielu osób przeprowadzajcych pomiary luksomierzem, jest czsto niewystarczajca. Czsto osoby te, traktuj wiadectwo wzorcowania luksomierza, jako gwarant poprawnoci jego wskaza, bez wzgldu na rozkład widmowy mierzonego promieniowania.

Autorzy w swoich kolejnych pracach, oprócz wpływu rozkładu widmowego ródła wiatła na dokładno

przeprowadzanych przy uyciu luksomierza pomiarów, zamierzaj uwzgldni równie wpływ:

- rodzaju oprawy owietleniowej (jej krzywej wiatłoci), - charakteru odbicia owietlanych powierzchni.

5. BIBLIOGRAFIA

1. Rozporzdzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 wrzenia 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczestwa i higieny pracy (Dz.U. 1997 nr 129 poz. 844)

2. PN-EN 12464-1:2012 wiatło i owietlenie. Owietlenie miejsc pracy. Cz 1: Owietlenie miejsc pracy we wntrzach.

3. ISO/IEC 17025:2005 Ogólne wymagania dotyczce kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujcych 4. Publikacja CIE 69-1987 Methods of characterizing

illuminance

5. PN 83/E–04040 Pomiary fotometryczne i radiometryczne - Pomiar natenia owietlenia

6. PN 90/E – 01005 Technika wietlna. Terminologia 7. Fryc I.: Spectral correction of detector used in

illuminance measurements, Proc. SPIE Vol. 3820 8. ISO/CIE 19476:2014 Characterization of the

performance of illuminance meters and luminance meters

9. Fryc I.: Korekcja widmowa i przestrzenna fotometrów, Rozprawy Naukowe Nr 71, Politechnika Białostocka, Białystok, 2000

10. Banaszak A., Tabaka P., Wtorkiewicz J.: Analiza wybranych właciwoci rónych typów luksomierzy, Prace Instytutu Elektrotechniki, Zeszyt 268, 2015

THE INFLUENCE OF SPECTRAL CORRECTION ACCURACY OF LUXMETERS ON ILLUMINANCE QUALITY MEASUREMENTS

The paper discusses the effect of the illuminance meter (luxmeter) spectral correction mismatch on the accuracy of contemporary typical light source measurements. Considered are: light bulbs, fluorescent lamps, high-pressure metal halide lamps and LEDs. Those lamps are having different correlation color temperature. The method of determining illuminance meter accuracy when measured source differs from calibration source has been defined by the CIE International Lighting Commission as an error f1. The magnitude of this error depends on the quality of the spectral correction of the luxmeter photometric head to the spectral sensitivity curve of the standard photometric observer V(λ) (this inaccuracy is known as f1’) and the relative spectral power distribution of the radiated emitted by measured light source. Depending on the lamp type, luxmeter correction factors k have been calculated. It has been shown that the accuracy of measurements taken by luxmeter will be the weak when LEDs are measured. In that case the value of k correction factor is varying from 1 up to 0,78. In comparison the value of k correction factor is near 1 when the incandescent lamps are measured.

Keywords: luxmeter, illuminance, light sources.