Pomiary natężenia oświetlenia LED

W artykule przedstawiono wartość błędu luksomierza f₁ informującego o wpływie zmiany źródła mierzonego (LED) na inne niż kalibracyjne. Pokazano, iż wartość tego błędu dla luksomierzy firmy SONEL S.A. odpowiednio dla klasy A i B nie będzie miała znacznego wpływu na poprawność pomiaru natężenia oświetlenia źródeł światła LED.

1. Wprowadzenie

W niedostatecznych warunkach lub w przypadku całkowitego braku oświetlenia naturalnego zachodzi konieczność zastosowania oświetlenia sztucznego. W związku z tym pojawia się potrzeba kontroli parametrów natężenia oświetlenia za pomocą luksomierza. Konieczność przeprowadzania tego rodzaju pomiarów nie wynika jedynie z potrzeb producentów czy projektantów oświetlenia, ale jest efektem wynikłym z regulacji prawnych. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [1] zobowiązuje pracodawców do przeprowadzania pomiarów i oceny parametrów jakości oświetlenia w środowisku pracy. W związku z tym pracodawca ma obowiązek zapewnić oświetlenie elektryczne w miejscu pracy zgodne z wymaganiami Polskich Norm [2].

Podstawową wielkością podlegającą ocenie jest natężenie oświetlenia elektrycznego, którego pomiary wykonuje się za pomocą luksomierza, wywzorcowanego w luksach. Zaleca się, aby luksomierz został wywzorcowany w akredytowanym laboratorium, o potwierdzonej jakości przez Polskie Centrum Akredytacji, w którym kalibracja luksomierza jest zgodna z wymaganiami ISO/IEC 17025:2005 [3]. Gwarancją prawidłowości wskazań luksomierza jest jego świadectwo wzorcowania wraz z podaną niepewnością pomiarów. Ponadto luksomierze muszą odpowiadać wymaganiom zawartym w: publikacji CIE 69-1987 [4], PN 83/E-04040 [5], PN 84/E-02033 [6], PN 90/E-01005 [7]. Do wzorcowania luksomierzy używa się wzorców światłości w postaci lamp żarowych o temperaturze barwowej Tc=2856 K.

Do najważniejszych czynników, jakie stawia się luksomierzom należy skorygowanie głowicy fotometrycznej luksomierza pod względem widmowym i przestrzennym. Powinien on mieć czułość widmową taką jak standardowy obserwator kolorymetryczny o czułości względnej oka V(λ), a wartość sygnału wyjściowego z miernika powinna się zmieniać z funkcją kosinusa kąta padania promieniowania na jego płaszczyznę pomiarową. Częścią składową głowicy pomiarowej jest detektor fotoelektryczny – krzemowy (luksomierze firmy SONEL S.A.). Czułość widmowa tych detektorów odbiega od wymaganej czułości widmowej luksomierza, opracowanej przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE). Dlatego stosuje się filtry korekcyjne w postaci elementu rozpraszającego, które zapewniają zgodność jego wskazań z kosinusem kąta padania światła.

Jednymi z najistotniejszych parametrów charakteryzujących luksomierze są wartości błędu korekcji widmowej f₁’ oraz błędu f₁ wynikającego z różnic w rozkładzie widmowym źródła mierzonego i kalibracyjnego. Wartość parametru f₁’, będącego miarą niedopasowania czułości luksomierza do krzywej V(λ), określonego przez CIE wyrażony jest:

(1)

gdzie: E_A(λ) – względny rozkład widmowy mocy promieniowania, przy którym wykonano wzorcowanie głowicy fotometrycznej, V(λ) – wymagana względna czułość widmowa głowicy fotometrycznej, S(λ) – względna rzeczywista czułość widmowa głowicy fotometrycznej.

Ze względu na dokładność luksomierze dzieli się na cztery klasy. Najwyższa dokładność (klasa L) o błędzie f₁’ nieprzekraczającym 1,5% to luksomierze laboratoryjne. Dla f₁’ zawierających się w przedziale (1,5%, 3%> to luksomierze klasy A, o bardzo dobrej jakości (Sonel LXP-10A). Luksomierze średniej jakości, dla których f₁’=(3%, 6%> to klasa B (Sonel LXP-10B, LXP-2). Natomiast za luksomierze o niskiej jakości uważa się luksomierze dla których f₁’ jest większe od 6%, ale nie przekracza 9% (klasa C).

2. Pomiary natężenia oświetlenia źródeł światła LED

Obecnie w związku z dynamicznym rozwojem techniki oświetleniowej żarowe źródła światła, ze względu na niską skuteczność świetlną, zostały zastąpione przez bardziej wydajne diody LED. Podstawą ich działania jest zjawisko elektroluminescencji w ciele stałym. Elektroluminescencja to sposób emisji promieniowania, w którym źródłem pobudzającym do świecenia jest prąd lub pole elektryczne. Do podstawowych zalet diod elektroluminescencyjnych należy zaliczyć: mały pobór prądu, mała wartość napięcia zasilającego, duża sprawność, małe rozmiary, duża trwałość, a także duża wartość luminancji. Ze względu na inny mechanizm wytwarzania światła diod LED pojawiły się wątpliwości w wykonywaniu pomiarów jego natężenia, za pomocą różnych typów luksomierzy.
W polskim prawie nie ma jasno sprecyzowanych norm odpowiadających za pomiary natężenia światła LED. Wydany jedynie raport przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową w 2007 roku, zawiera zalecenia dotyczące badania oświetlenia LED z podziałem na emitowane światło białe i kolorowe [8]. Rozkłady widmowe emitowanego promieniowania diod LED różnią się od tego, przy którym przeprowadzono wzorcowanie luksomierza (rys.1). Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) oznaczyła tą różnicę jako błąd f₁.

Rys. 1. Względne rozkłady widmowe mocy promienistej typowych diod LED

2.1. Błąd f₁

Wartość błędu f₁ wynikającego z niedopasowania źródła światła mierzonego do światła, przy którym wzorcowano luksomierz zależy od stopnia dopasowania czułości widmowej fotoogniwa do krzywej V(λ), a także charakteru rozkładu widmowego mierzonego promieniowania (2).

(2)

gdzie: E_Z(λ) – względny rozkład widmowy mocy promieniowania rozpatrywanego źródła światła, E_A(λ) – względny rozkład widmowy mocy promieniowania, przy którym wykonano wzorcowanie głowicy fotometrycznej, V(λ) – wymagana względna czułość widmowa głowicy fotometrycznej, S(λ) – względna rzeczywista czułość widmowa głowicy fotometrycznej.

Zatem, aby otrzymać prawidłową wartość pomiaru natężenia oświetlenia źródła światła E_r, należy wskazania luksomierza E_Z przemnożyć przez współczynniki korekcyjne k (3).

(3)

Na podstawie dostępnych informacji dla luksomierzy wyznaczono wartości współczynnika korekcyjnego. Przyjmują one wartości bliskie 1.

 

2.2. Pomiary natężenia oświetlenia źródeł światła LED za pomocą luksomierzy firmy SONEL S.A.

Firma SONEL S.A. w swojej ofercie posiada luksomierze klasy A i B. Im wyższa klasa miernika tym mniejsze wartości natężenia oświetlenia jesteśmy w stanie zbadać.

Tab. 1. Zestawienie luksomierzy firmy SONEL S.A.

Nazwa miernika	Klasa dokładności	Rozdzielczość	Błąd podstawowy	Dopasowanie widmowe f1'
Sonel LXP-10A	A	0,001 lx	2%+5 cyfr	+/-2%
Sonel LXP-10B	B	0,01 lx	5%+5 cyfr	+/-6%
Sonel LXP-2	B	0,1 lx	5%+5 cyfr	+/-6%

Wybierając miernik do pomiarów natężenia oświetlenia należy zastanowić się w jaki sposób będzie on używany i jakie wielkości będą nim mierzone. Jeżeli ma to być pomiar białego światła LED to należy wziąć pod uwagę zalecenia komisji CIE, która zaleca stosowanie luksomierza o parametrze f₁’, będącym miarą niedopasowania czułości luksomierza do krzywej V(λ), nieprzekraczającym 3%. Luksomierz firmy SONEL LXP-10A, odpowiednio klasa A spełnia ten warunek. Zatem doskonale nadaję się do pomiaru natężenia oświetlenia emitowanego przez białe diody LED. Natomiast dla luksomierzy LXP-10B, LXP-2, klasy B o zadeklarowanej wartości błędu korekcji widmowej f₁’<6%, należy wziąć pod uwagę również wartość błędu f₁, wynikającego z różnic w rozkładzie widmowym źródła mierzonego i kalibracyjnego. Ponieważ dla luksomierzy klasy A i B współczynniki korekcyjne k (3) przyjmują wartości bliskie 1 (k~1). Zatem nie mają znacznego udziału na mierzoną wartość natężenia oświetlenia.

3. Podsumowanie

W polskim prawodawstwie i normach obowiązujących w naszym kraju nie istnieją jasno sprecyzowane wymagania dotyczące pomiarów źródeł oświetlenia typu LED. Należy jednak pamiętać, że im większa będzie różnica pomiędzy krzywą czułości głowicy fotometrycznej luksomierza, a tą wymaganą, to tym w większym stopniu uzyskiwane wyniki będą uzależnione od charakterystyki widmowej mierzonego promieniowania.
Zatem nie istnieją kryteria wykluczające luksomierze firmy SONEL S.A. klasy A i B do pomiarów natężenia oświetlenia źródeł światła LED. Należy jednak pamiętać, iż używany do pomiarów miernik powinien posiadać aktualne świadectwo wzorcowania, które potwierdzi sprawność urządzenia i spełnienie przez niego deklarowanych poziomów niepewności widmowej i podstawowej. Czym mniejsza niepewność widmowa i całkowita tym wynik pomiaru jest w większym stopniu zgodny z rzeczywistym.

4. Literatura

[1] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U.1997 nr 129 poz. 844)
[2] PN-EN 12464-1:2012 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach
[3] ISO/IEC 17025:2005 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych
i wzorcujących
[4] CIE 69-1987 Methods of characterizing illuminance
[5] PN 83/E-04040 Pomiary fotometryczne i radiometryczne - Pomiar natężenia oświetlenia
[6] PN-84/E-02033 Oświetlenie wnętrz światłem elektrycznym
[7] PN 90/E – 01005 Technika świetlna. Terminologia
[8] CIE-127:2007: Measurement of LEDs, Central Bureau of the CIE, Vienna, Austria, 2007
 

Autor:
Dorota Kołakowska
Sonel S.A.