Замер освещенности помещения. Что такое освещенность. Виды ламп для освещения помещения

Работая со светом невозможно развиваться без ежедневного изучения тенденций и новинок рынка. Одним из последних наших открытий стало приложение, благодаря которому с помощь обычного смартфона можно замерять количество света в помещении. Безусловно, с профессиональной точки зрения мы не могли остаться равнодушными к такому вызову. Немецкий Институт Прикладной Светотехники (DIAL GmbH) , в которой рассматривался именно интересовавший нас вопрос: может ли смартфон стать достойной заменой люксметру?

Люксметр против смартфона: может ли специальное приложение стать альтернативой измерительному прибору?

Если такая замена действительно себя оправдывает, то это стало бы не то чтоб революцией, но, как минимум, очень выгодным предложением. Посудите сами, люксметр - удовольствие недешевое. А вот смартфон есть практически у каждого. И специальные приложения либо бесплатные, или стоят дешево. Поскольку наша компания профессионально работает со светом, идея замера фотометрических параметров с помощью телефона нас умиляет. Но, справедливости и любопытства ради, мы решили провести эксперимент. Цель исследования: сравнение результатов работы соответствующих приложений с показателями нашего штатного люксметра.

Тестируемое оборудование

В нашем эксперименте принимали участие iphone разных серий, а также телефоны Sony, Samsung и Nokiа:

Программное обеспечение

Мы выбрали следующие приложения (большинство из них бесплатны), и установили их на каждой из систем:

Название	Производитель	Операционная система	Возможность калибровки	Цена
Galactica Luxmeter	Flint Soft Ltd.	iOS	нет	-
LightMeter by whitegoods	Whitegoods	iOS	есть	-
LuxMeterPro Advanced	AM PowerSoftware	iOS	есть	7,99€
Luxmeter	KHTSXR	Android	есть	-
Light Meter Pro	Mannoun.Net	Android	есть	-
Lux Light Meter	Geogreenapps	Android	есть	-
Sensor List	Ryder Donahue	Windows Phone	есть	-

Для справки

Контрольное измерение произведено с помощью откалиброванного люксметра PRC Krochmann (Model 106e, специальная модель, класс А).

Используемые источники света

Для теста мы выбрали три различных источника света:

• галогенная лампа низкого напряжения;
• компактная люминесцентная лампа (цветовая температура 2700 K);
• LED (цветовая температура 3000 K).

Чтоб упростить наши исследования, мы решили оставить один источник света - LED.

Условия тестирования

Испытание проходило в помещении без источников дневного или искусственного освещения. На горизонтальной поверхности мы разместили источники света. На них поочередно устанавливалась освещенность 100 лк, 500 лк и 1000 лк. Фотометрическая головка нашего люксметра была расположена перпендикулярно оси светильника. Затем, точно так же, мы размещали смартфоны с установленными приложениями. Фронтальная камера и датчик яркости находились там же, где до этого располагался фотометр.

Такое расположение подходило всем приложениям кроме платного «Luxmeter Pro Advanced», так как оно для измерения освещённости использует свет, отраженный от поверхности. В этом приложении также доступны настройки типов источника света, расстояния до него и т.д.

Некоторые приложения позволяли произвести калибровку, и, если была такая возможность, мы проводили ее в соответствии с инструкциями производителя, а именно на 100 лк.

Результаты

Во время нашего теста мы выяснили, что хотя в некоторых приложениях можно было произвести калибровку до определенного значения, определить его точно было достаточно сложно. Таким образом, или шаг был большим, либо значение в 100 лк вообще не устанавливалось (например, максимальное значение, которое удалось установить на iPhone 5 с LightMeter by whitegoods - 34 лк). Часто отклонения от контрольных значений оказывались весьма высокими (до 113% у Samsung Galaxy S5 с приложением «Lux Light Meter» от Geogreenapps). При использовании эталонна 500 лк дисплей смартфона показывал 1,063 лк. Самое низкое отклонение в 3% было на iPhone 5 с «LightMeter by whitegoods». При 500 лк этот смартфон показывал 484 лк. В то же время, мы не можем утверждать, что именно эта комбинация всегда будет приводить к наименьшим возможным отклонениям. В случае использования значения 100 лк и этого же приложения, отклонение достигало 89%, а устройство показывало 11 лк.

Также мы заметили, что отображаемые значения на устройствах от Sony, Samsung и Nokia были значительно выше эталонных, в то время, как на iPhone существенно ниже. Среднее отклонение во всех приложениях на Android-смартфонах и на телефонах с Windows Phone были приблизительно на 60% выше контрольных. Расхождение значений измеренных различными iPhone было на 60% ниже опорных.

Мы также заметили, что различные приложения, установленные на смартфонах от Samsung и Sony, показывали близкие значения. Скорее всего, в этих устройствах для измерения освещенности используется датчик яркости, а не камера.

В некоторых моделях Samsung можно переключиться в режим инженерного меню с помощью комбинации *#0*#. Выбрав пункт «Датчик света», вы можете узнать предполагаемую освещенность без установки приложения. Так что в этом случае специальная программа может и не понадобиться. Тем не менее, показатели на этих устройствах также отклонились от эталонного значения в рамках 37%-113%.

Будут ли совпадать результаты на аналогичных смартфонах с одинаковыми приложениями?

Чтобы проверить это, мы использовали 4 идентичных iPhone 5 с установленными на них приложениями «Galactica Luxmeter» и «LightMeter by whitegoods». К сожалению, нас ждало разочарование. Все четыре смартфона показали совершенно разные показатели.

Мы считаем, что причиной таких колебаний является отличие комплектующих в телефонах. Такие отклонения пользователь не замечает при повседневном использовании, но при непосредственном тестировании они заметны.

Всегда ли есть процентное отклонение от эталонного значения?

Если вы всегда используете смартфон с одним и тем же приложением, вы можете предположить, что можно достаточно точно производить замеры, зная процентное отклонение от эталонного значения. Но всегда ли этот процент одинаковый?

Для того, чтобы проверить это, мы провели измерения освещённости на 10 лк, 100 лк, 1000 лк и 10000 лк с помощью iPhone 5 размещенным на оптической скамье в черной комнате. Увеличение яркости можно очень точно задавать путем регулировки расстояния между источником света и приемником.

В качестве источника излучения снова использовался светодиодный светильник с цветовой температурой 3000 K. В этом тесте мы рассмотрели показатели двух различных приложений. Оказалось, значения разных программ отклоняются друг от друга, в некоторых случаях до 358% (12 лк до 55 лк при эталоне 100 лк). Если рассмотреть процент отклонений от эталонных значений, то никакой закономерности мы не увидим.

При использовании приложения «Galactica Luxmeter» значения были выше контрольных на 180% при 10 лк и на 50% ниже эталонных значений при 10 000 лк. «LightMeter by whitegoods» было откалиброванным на 10 лк. При опорных 100 лк отклонение составило 88% в меньшую сторону, а при 10 000 лк - 59%. Значения всех остальных приложений были так же существенно ниже контрольных, а сам процент отклонений все время менялся.

К тому же, мы обнаружили, что измерения, проведенные с помощью передней и задней камеры показывают различные значения. К тому же, некоторые приложения никогда не показывают 0 лк, даже если на камеру свет не попадает и она закрыта «заглушкой».

Заключение

Результаты доказывают, что серьезные измерения освещенности возможны только с помощью профессионального оборудования. Оно оснащено откалиброванным датчиком, гарантирующим, что оценка освещенности будет проведена в соответствии с чувствительностью человеческого глаза при дневном свете. Кроме того, приборы позволяют измерить количество света в зависимости от угла падения луча. Смартфоны не могут сделать ни того, ни другого, в противном случае они не смогут выполнять свои функции как телефон.

Разработчики приложений не утверждают, что смартфоны могут заменить профессиональные приборы. Утверждение, что некоторые приборы позволяют провести калибровку звучит эффектно, но, к сожалению, технически почти невозможно установить нужное значение. Даже при использовании одного и того же приложения на идентичных смартфонах результаты оценки отличаются.

Поэтому, к сожалению, приложения на самом деле не слишком помогают, даже в том, чтобы получить общее представление об освещенности. Более того, результат может оказаться кардинально противоположным и ввести пользователя в заблуждение.

Поэтому, если вам действительно понадобится измерить освещенность, воспользуйтесь люксметром, а телефон оставьте для звонков любимым.

Рассмотрены измерения освещенности и коэффициента отражения фотоаппаратом, а так же калибровка измерений с использованием лампы накаливания в домашних условиях.

Статья содержит разделы:

Измерение освещенности в помещении выполняют в соответствие с . В этом стандарте перечислены рекомендуемые приборы для измерения - люксметры, и указаны контрольные точки, в которых производятся измерения. Люксметр содержит фотометрическую головку и блок обработки. Процесс измерения горизонтальной освещенности на поверхности стола показан на Рис. 1. Фотометрическую головку перемещают по поверхности стола в соответствие с выбранными контрольными точками и фиксируют показание. Интересуют: минимальное значение освещенности и среднее значение (сумма показаний люксметра, поделенная на количество измерений).

Рис. 1 Измерение освещенности люксметром

Рекомендуемые нормы освещенности жилых помещений содержатся в Таблице 1 . В жилых помещениях нормируют горизонтальную освещенность на уровне пола (Г-0,0). В административных зданиях в основном освещенность нормируют на рабочей поверхности стола, на высоте 0,8 метра от пола (Таблица 2).

При использовании ламп накаливания и галогенных ламп следует учитывать рекомендации п. 3.1.7 . Эти лампы относят к источникам света с улучшенной цветопередачей и при их использовании нормы освещенности могут быть уменьшены на одну ступень.

Измерение освещенности фотоаппаратом

Конструкция цифрового фотоаппарата близка к конструкции яркомера, предназначенного для измерения яркости освещенных поверхностей. Таких как фасады домов и дорожные покрытия. Косвенно таким яркомером можно измерить освещенность. При этом погрешность измерения будет зависеть от точности определения коэффициента отражения поверхности. Если использовать белый лист белого ватмана, например формата А4, или качественную бумагу для принтеров, то коэффициент отражения с небольшой погрешностью можно принять 0,8…0,85. Не стоит использовать фотобумаги, особенно глянцевые.

Используют фотоаппарат в качестве яркомера с последующим расчетом освещенности в следующей последовательности:

На плоскость, на которой необходимо измерить освещенность кладут лист белой бумаги. В центре листа необходимо нарисовать небольшой кружек или крестик, или положить небольшой предмет, что бы фотоаппарат мог наводиться на резкость. На Рис. 2 на листе бумаги лежит фотометрическая головка люксметра - по ней фотоаппарат и наведется на резкость. Лист белой бумаги положен на то место, где на Рис. 1 лежала фотометрическая головка;

Сфотографировать лист белой бумаги в автоматическом режиме при отключенной вспышке. Фотографировать необходимо так, что бы на бумагу не попадала тень, создаваемая фотографирующим и лист белой бумаги должен занять весь кадр;

Рис. 2 Подготовка к измерениям

Рис. 3 Сфотографированный лист бумаги

Для вычисления освещенности необходимо посмотреть параметры экспозиции при съемке: выдержку t, диафрагму F и чувствительность ISO. Для этого необходимо загрузить фотографию в компьютер и посмотреть ее свойства (нажав на ярлык фотографии правой кнопкой мыши), либо, что значительно проще, после наведения фотоаппарата на резкость посмотреть на его дисплее значения экспозиции. Величину измеренной освещенности вычисляют по приближенной формуле:

Е=125.F 2 .t/ISO, лк

В этой формуле под выдержкой t подразумевается не время экспозиции, а знаменатель выдержки. То есть если выдержка составила 1/100 секунды, то в формулу подставляем t=100. Коэффициент 125 подходит для большинства современных цифровых фотоаппаратов, но для некоторых моделей фотоаппаратов может быть другим. Далее будет показано, как можно выполнить калибровку фотоаппарата и соответственно скорректировать этот коэффициент.

В таблице на Рис. 4 рассчитаны величины освещенности для некоторых величин диафрагмы и чувствительности матрицы фотоаппарата ISO.

Рис. 4 Таблица для измерения освещенности

Погрешность измерения определяется: шагом переключения выдержек фотоаппарата (диапазон изменения реальной освещенности примерно на 20% при таких измерениях отображается как одно значение), отклонением коэффициента отражения бумаги от предполагаемого, отсутствием корректирующих светофильтров, которые всегда присутствуют в люксметрах. Корректирующие светофильтры необходимы для приведения спектра света к характеристике его восприятия глазом человека.

Сравнение измерений освещенности, выполненных люксметром ARGUS-01 и фотоаппаратом Canon digital IXUS 75, показало расхождение результатов измерений в пределах ± 15-20%. Измерения были произведены при искусственном освещении в диапазоне 50 - 500 лк и естественном освещении в пределах 200 - 50000 лк.

Калибровка фотоаппарата в качестве люксметра

В интернете можно встретить большое количество различных рекомендаций по измерению освещенности фотоаппаратом. При этом интерпретации результатов измерения разных авторов значительно различаются. Поэтому необходимо иметь простой и доступный способ калибровки фотоаппарата. Для этого понадобится источник света с хорошо повторяющимися характеристиками. Пожалуй, самым доступным источником света с заранее известными характеристиками является обычная лампа накаливания. Световой поток ламп и номинальное напряжение указывают на их упаковке. Ни в коем случае для калибровки нельзя использовать светильник. В светильнике за счет плафона сила света может возрасти в два и более раз. Лампу следует ввернуть в обычный патрон.

Кривая силы света (КСС) ламп накаливания имеет максимум в направлении, противоположном цоколю. Для лампы со световым потоком Ф=1000 люмен (лм) сила света I в этом направлении равна 100 кандел (кд). Для ламп с другими значениями светового потока Ф сила света I в направлении, противоположном цоколю рассчитывается по формуле:

I=100.Ф/1000=Ф/10

Освещенность Е на рабочей плоскости определяется соотношением:

Е=I.cosα/r 2 ,

здесь r - расстояние в метрах от спирали лампы до рабочей плоскости, на которой необходимо создать калиброванный уровень освещенности; α -угол между направлением силы света и нормалью к рабочей плоскости. Для нашего случая угол α близок к нулю, и соответственно можно принять cosα=1.

Тогда освещенность рабочей плоскости вычислим по формуле:

Е=Ф/(10 .r 2), лк

Например, для лампы накаливания мощностью 95 Вт, имеющей световой поток 1250 лм при расстоянии от спирали лампы до рабочей плоскости 0,65 м освещенность Е=1250/10.0,65 2 =1250/4,225=296 лк.

Схема осветительной установки для выполнения измерений показана Рис. 5. Лампа подвешена в центре комнаты к потолку (проще всего подвес закрепить к люстре, если она имеется в комнате).

Рис. 5 Калибровка фотоаппарата

Что бы ни допустить возникновения больших погрешностей необходимо выполнить следующие условия:

Лампа накаливания должна быть новой. После 500 - 700 часов работы ее световой поток может упасть на 15 и даже 20%.

Расстояние r от спирали лампы до рабочей плоскости должно быть как минимум в 5 раз меньше, чем расстояние от лампы до стен и потолка. Иначе свет, отраженный от потолка и стен, попадая на рабочую плоскость, увеличит ее освещенность. Если расстояние r превышает расстояние до стен и потолка только в 2 - 3 раза, то погрешность может составлять десятки процентов. Данную погрешность можно значительно снизить, используя защитный экран из материала с низким коэффициентом отражения. Черная бумага имеет коэффициент отражения ρ около 0,05. Черный бархат имеет ρ, близкий к 0,01. В следующей главе будет рассказано, как измерить коэффициент отражения. Кроме того защитный экран защитит фотоаппарат от прямого излучения лампы.

Если напряжение в сети существенно отличается от номинального напряжения лампы, то необходимо ввести поправку. Величину номинального напряжения ламп накаливания наносят на ее колбу рядом с маркировкой номинальной мощности (эти обозначения так же присутствуют на упаковке лампы). При превышении напряжения в сети на 5% над номинальным напряжением лампы, ее световой поток увеличивается уже на 17,5%, (изменение напряжения на 1% изменяет световой поток на 3,5%). Соответственно световой поток уменьшается, если номинальное напряжение сети ниже номинального напряжения лампы. То есть если номинальное напряжение лампы 220 В, а измеренное напряжение в сети составляет 230 В (превышение напряжения на 4,5%), то для лампы накаливания мощностью 95 Вт, и номинальным световым потоком 1250 лм фактический световой поток увеличится на 4,5.3,5=15.75% и приблизительно равен 1250.1,16=1450 лм. При расстоянии от спирали лампы до рабочей плоскости 0,65 м (как в предыдущем примере) освещенность в этом случае будет равна Е=1450/10.0,65 2 =1250/4,225=343 лк.

Введение поправок описано в п. 7.1.7 . Целесообразно использовать лампу с номинальным напряжением, близким к напряжению в сети (как правило, лампы накаливания выпускают на 220, 230 и 235 В).

Измерение коэффициента отражения поверхности

При помощи фотоаппарата так же можно измерить коэффициент отражения, например, обоев. Коэффициент отражения входит в расчетные формулы при расчете освещенности и представляет собой отношение отраженного от исследуемой поверхности светового потока Ф отр к падающему на поверхность потоку Ф пад. Отсутствие информации о коэффициенте отражения поверхностей зачастую приводит к большим ошибкам в светотехнических расчетах. Для этого можно сфотографировать (обязательно при выключенной вспышке) фрагмент исследуемых обоев и лист белой бумаги. Бумага и обои во время фотосъемки должны находиться на одном и том же месте. Условия освещения фотографируемых поверхностей должны быть одинаковыми. Для повышения точности можно выполнить несколько измерений и результаты усреднить. Диафрагма и чувствительность ISO в обоих случаях должны быть неизменными. Вычислить коэффициент отражения исследуемой поверхности ρ иссл. можно по формуле:

ρ иссл. = 0,82. t 1 / t 2

Здесь число 0,82 - коэффициент отражения эталонной поверхности (листа ватмана),

t 1 - знаменатель выдержки при фотографировании исследуемого образца, t 2 - знаменатель выдержки при фотографировании листа белой бумаги.

Если фотоаппарат позволяет определять выдержку после его наведения на исследуемую плоскость по экрану дисплея фотоаппарата, то саму фотосъемку производить не обязательно.

На Рис. 6 показана фотография обоев на стене, выполненная при искусственном освещении. Далее на место сфотографированных обоев был помещен лист ватмана и так же сфотографирован. Положение фотоаппарата в обоих случаях зафиксировано в одном месте.

Рис. 6 Фрагмент обоев

При измерении коэффициента отражения показанных на Рис. 6 обоев диафрагма фотоаппарата имела значение 2,8. Чувствительность матрицы фотоаппарата ISO = 80. При фотографировании обоев выдержка составила величину t 1 = 1/10 секунды. При замещении обоев белой бумагой выдержка равна t 2 = 1/13 секунд.

Коэффициент отражения белой бумаги ρ бумага можно принять равным 0,82. Тогда искомый коэффициент отражения обоев ρ обои определим как: ρ обои = 0,82.10/13=0,63. После усреднения серии измерений при естественном и искусственном освещении коэффициент отражения данного образца обоев снижен до 0,55.

На Рис. 7 показана таблица с рассчитанными коэффициентами отражения. Здесь значения выдержек при калибровке (на желтом фоне) соответствуют выдержке t 2 при наведении фотоаппарата на лист белой бумаги, а в режиме измерения t 1 - наведение фотоаппарата на исследуемый образец.

Рис. 7 Таблица для измерения коэффициентов отражения

При измерении коэффициента отражения тканей следует учитывать светопропускную способность ткани. Для минимизации влияния отражения света от поверхности, на которой лежит ткань, желательно в качестве этой поверхности использовать лист черной бумаги.

Погрешность измерения довольно велика и в первую очередь определяется шагом переключения выдержки фотоаппарата. А так же различием отражательных свойств исследуемых образцов и ватмана.

При измерении отражающих свойств поверхностей в светотехнических лабораториях используют специальные фотометрические шары, позволяющие выполнить измерения с высокой точностью. Для измерений в домашних условиях описанные в статье методы вполне приемлемы.

Примерные коэффициенты отражения поверхностей различных цветов показаны на Рис.8. Измерения выполнены при солнечном свете.

Рис.8 Коэффициенты отражения различных поверхностей

№1 - 0,05; №2 - 0,08 ; №3 - 0,1; №4 - 0,13; №5 - 0,21; №6 - 0,35; №7 -0,55 ; №8 - 0,55; №9 - 0,55.

Синие и зеленые цвета в зависимости от их насыщенности (светлые тона, темные тона) могут иметь коэффициент отражения от 0,15 до 0,6. Красные цвета имеют коэффициент отражения от 0,1 до 0,3.

Следует обратить внимание, что фотографии одних и тех же поверхностей, снятых при естественном и искусственном освещении могут иметь различный вид. Например, поверхность №8 на Рис. 8, это те же обои, что и на Рис. 6. Но, показанные на Рис. 6 обои сняты при искусственном освещении, а на Рис. 8 - при естественном.

В настоящее время при огромном разнообразии светотехнических приборов у населения нет единого понятия касательного того, в чем измеряется освещенность. Нередко возникает недоразумение с такими техническими характеристиками, как сила света и яркость, люмены и канделы. Приобретая осветительные приборы, часто обращают внимание на суммарный световой поток, не учитывая потери света и тепла.

В этой статье:

Понятие освещенности

Световой поток измеряется в специальных лабораторных условиях и самопроизвольно его определить невозможно. Поэтому СНиП учитывает величину освещенности, которую, в отличие от светового потока, каждый может измерить самостоятельно. Она представляет собой показатель отношения светового потока, измеряемого в люменах, к площади поверхности, на которую попадают фотоны. Угол падения при этом должен равняться 90°. Единица измерения освещенности — люкс (lux).

Давно уже установлена зависимость психологического и физического состояний человека от света. Если при слабом освещении происходит угнетение мозговых процессов, то при ярком свете они возбуждаются. Но в любом случае сетчатка глаза и ресурсы организма изнашиваются. При проектировании осветительных приборов определяют коэффициент запаса (КЗ), который должен учитывать вероятный спад освещенности установки. Для искусственного света в показателе предусматривается уменьшение яркости по причине износа оптических компонентов устройства и их естественного загрязнения. Коэффициент естественной освещенности снижается вследствие изменения отражающих свойств окружающих предметов.

Измерение освещенности проводится на рабочих местах вместе с определением уровня загрязненности, звуковых колебаний, электромагнитного излучения, а на некоторых производствах и гамма излучения. Важность знания этих параметров трудно переоценить при создании оптимальных условий труда, и все они соответствуют санитарным правилам и нормам. Например, освещенность должна быть:

• в рабочем кабинете — 300 лк;
• в офисе для постоянной работы с компьютером — 500 лк;
• для технических и конструкторских бюро — 750 лк.

При наличии в помещении естественной подсветки уровень искусственного фона можно снижать.

Приборы для определения уровня освещенности и методика его определения

Наименование прибора похоже на название величины, которую он устанавливает, — люксметр. Принцип работы малогабаритного переносного устройства напоминает работу фотометра. Поток излучения, падая на фоточувствительный элемент полупроводника, отрывает электроны, которые начинают упорядоченно двигаться. Таким образом, замыкается электрическая цепь. Причем величина тока прямо пропорциональна интенсивности освещения фотоэлемента, что имеет свое отражение на шкале аналогового люксметра. Сегодня приборы со стрелками практически исчезли, их заменили цифровые. Они оснащены жидкокристаллическими дисплеями, у которых сам фоточувствительный датчик расположен в отдельном корпусе, а с дисплеем он соединяется с помощью гибкого провода.

В ходе проведения эксперимента по измерению освещенности прибор устанавливается в горизонтальном положении. Причем в соответствии с требованиями ГОСТа их размещают в разных точках помещения, согласно определенной схеме. В 2012 г. Россия приняла новый стандарт измерения характеристики количества светового потока. В старом понятийном аппарате при измерениях использовались такие термины данной величины, как:

• минимальная, средняя, максимальная, цилиндрическая;
• естественная;
• градиент запаса;
• относительная эффективность когерентного лучевого потока.

В настоящее время к ним добавлены следующие типы освещения:

• аварийное;
• рабочее;
• охранное;
• эвакуационное;
• резервное.

Стандарт подробно описывает все тонкости проведения измерительных исследований.

Замеры осуществляются отдельно по естественной и искусственной иллюминации. В ходе проведения эксперимента нельзя допустить, чтобы хоть малейшая тень падала на прибор, а вблизи был хотя бы 1 источник электромагнитных волн. Все они вносят помехи в работу устройства.

После выполнения необходимых замеров освещенности определяется искомая величина. Она сравнивается с нормативным значением. Затем подводятся итоги о достаточности освещенности территории или помещения. Каждый вид измерительных испытаний оформляется специальным оценочным протоколом, чего требует ГОСТ.

Измерение количества света для светодиодных устройств и примеры в природе

Светодиодные светильники стали очень востребованными благодаря уникальной энергоэффективности. Но светодиоды и их источники питания при освещении выделяют тепло, которое рассеивается с помощью теплопроводящих материалов (алюминий) и конструктивных особенностей (ребер, большой радиаторной площади). Несмотря на кажущееся отсутствие связи между потерями тепла и освещенностью, специалисты всегда учитывают ее при создании новых устройств.

Трудности с работой светодиодных светильников начинаются при эксплуатации в условии повышения температуры более +50°С. Почему измерение освещенности светодиодов и рекомендуют проводить после 2 часов их работы, т. е. после выхода на оптимальный режим. Для исключения появления погрешности проводятся неоднократные замеры в течение рабочей смены. Желательно эти исследования проводить как минимум 1 раз в год. Чтобы при проектировании исключить любые ошибки, закладывают коэффициент снижения освещенности, зависящий от физических характеристик объекта.

Обычно производители LED-устройств дают гарантию по их безупречной работе на 3 года. Все параметры функционирования таких светильников, в том числе, и освещенность, должны соответствовать заявленным значениям. Если условия работы устройств происходят при температуре наружного воздуха свыше 45°С, то измерения освещенности необходимо делать гораздо чаще. Иначе неправильное проектирование и полученные результаты приведут к быстрому падению показателей освещения.

Что касается примеров иллюминации в природе, то на орбите Земли и экваторе в полдень данная величина равняется 135 тыс. люкс. В солнечный день она составляет до 100 тыс. лк, в пасмурный — только 1 тыс. люкс, а вот от Луны всего лишь 0,2 лк. Измерение света на улице на широте Москвы в зимний период показало от 4 до 5 тыс. люкс. В безлунную ночь освещенность в тысячу раз меньше, чем в полнолуние, а при 10-бальной облачности — в 10 тыс. раз меньше. То, в чем измеряется освещенность в помещении и естественных условиях, относится к физическим величинам, входящим в Международную систему единиц.

Осветительные приборы различаются между собой конструкцией, физическими свойствами и техническими характеристиками. Параметры световых приборов вызывают множество вопросов и споров, особенно единица измерения освещенности. Нередко ее путают с другими понятиями, например, с силой света или яркостью. Кроме того, многие потребители покупают осветительные приборы, ориентируясь на величину суммарного , без учета тепловых и световых потерь.

Что такое освещенность

Понятие освещенности тесно связано с величиной светового потока, измеряемого в лабораториях при помощи специального оборудования. Сама освещенность может быть определена самостоятельно, и ее величина учитывается соответствующими СНиПами. Для вычисления этого параметра пользуются световым потоком, измеряемым в люменах, находящийся в соотношении с площадью освещаемой поверхности. Он должен падать на поверхность под углом 90 градусов. Освещенность измеряется в специальных единицах - люксах (лк).

Величина светового потока оказывает непосредственное влияние на физическое и психологическое состояние человека. Слишком слабое освещение угнетает головной мозг, а слишком яркое, наоборот, действует возбуждающе на мозговые процессы. Подобное негативное влияние вызывает преждевременный износ организма, пагубно влияет на органы зрения.

Поэтому при составлении проекта освещения и размещения приборов освещения обязательно используется коэффициент запаса, учитывающий вероятное падение освещенности в процессе эксплуатации. Постепенно оптические компоненты изнашиваются, загрязняются, что приводит к снижению яркости искусственного света. Кроме того, происходит снижение коэффициента естественной освещенности, поскольку отражающие свойства окружающих предметов постепенно изменяются.

Освещенность в первую очередь измеряется на рабочем месте. Одновременно определяются звуковые колебания, учитывается степень загрязненности, электромагнитное и даже гамма излучение. Результаты замеров позволяют создать наиболее оптимальные условия труда, в соответствии с санитарными нормами и правилами.

В каких единицах измеряется освещенность

На единице измерения освещенности следует остановиться более подробно. Общепринятой единицей считается люкс, представляющий собой такую освещенность, когда на поверхность площадью 1 м 2 происходит падение светового потока в 1 люмен.

Сколько же освещенности фактически включает в себя единица измерения 1 люкс? С этой целью нужно сравнить между собой несколько стандартных параметров, основанных на человеческой физиологии, закрепленных строгими медицинскими правилами и государственными стандартами. Без их соблюдения невозможно утверждение любого строительного проекта.

Степень освещенности в 1 лк создается обычной свечой, расположенной на расстоянии 1 м от освещаемой поверхности. С помощью этого нехитрого приспособления вполне возможно с достаточно высокой точностью откалибровать самодельный измерительный прибор - люксметр.

В качестве примеров для сравнения можно взять несколько известных видов освещенности.

• Яркий солнечный свет в полдень составит 100-140 тыс. лк
• Небо без туч днем - 6200 лк
• Настольная лампа, освещающая стол - 500 лк
• Освещенность в тени в солнечный день - 430 лк
• Наступление сумерек в вечернее время - 70 лк
• Начало ночи с лунным освещением - 1,5 лк.

Источники освещения и поверхности, отражающие свет, не всегда выглядят в виде отдельно взятых точек. Если органы зрения способны различить их форму, то речь пойдет об еще одной фотометрической величине, известной как яркость. Ее физические свойства похожи на силу света, однако в данном случае это отношение не будет абсолютным. Оно соразмеряется с площадью, которую имеет отражающая или излучающая поверхность.

Яркость, как физическое понятие, является единственной фотометрической величиной, которую может нормально воспринимать человеческий глаз. Она наглядно проявляется в свойствах крупных источников света, состоящих из большого количества точечных излучателей. При условии их одинаковой яркости, общий свет большого прибора освещения будет восприниматься единым целым.

Перечень основных единиц измерения

Существует несколько основных единиц измерения, тем или иным образом характеризующих параметры света. Среди них наиболее известными и распространенными являются следующие:

• Световой поток. Представляет собой мощность излучения света. Это видимый спектр излучения, связанный со световым ощущением, воспринимаемым человеческим глазом. Данная величина измеряется в люменах (лм). Например, световой поток, излучаемый 100-ваттной лампой накаливания, составляет 1350 лм, а люминесцентной лампой ЛБ40 - 3200 лм.
• Сила света. Плотность светового потока относительно окружающего пространства. По своей сути является пропорцией, где световой поток соотносится с телесным углом, в пределах которого происходит равномерное распределение излучения. Единица измерения - кандела (кд).
• Освещенность. Световой поток, падающий на поверхность, обладает поверхностной плотностью. Он равномерно распределяется и соотносится с площадью освещаемой поверхности. Единицей измерения служит - люкс (лк), равный 1 лм/1 м 2 .
• Яркость. Представляет собой силу света с поверхностной плотностью в установленном направлении. Единица измерения - кд/м 2 .
• Светимость. Световой поток, испускаемый поверхностью с плотностью, представляющей собой отношение светового потока и площади светящейся поверхности. Единица измерения - 1 лм/м 2 .

Приборы для измерения уровня освещенности

Уровень освещенности измеряется прибором - люксметром. Это небольшое переносное устройство работает примерно так же, как и фотометр. Поток светового излучения попадает на полупроводниковый фоточувствительный элемент и начинает отрывать от него электроны, приходящие в упорядоченное движение. В результате, происходит замыкание электрической цепи. При этом, величина силы тока находится в пропорциональной зависимости с интенсивностью освещения фотоэлемента и отображается на шкале аналоговых устройств.

В настоящее время практически не осталось приборов со стрелками, им на смену пришла цифровая измерительная аппаратура. Каждый люксметр оборудован жидкокристаллическим дисплеем и фоточувствительным датчиком, расположенным в отдельном корпусе. Для соединения между собой этих двух деталей применяется гибкий провод.

Перед началом замеров освещенности люксметр устанавливается в горизонтальное положение. Современные ГОСТы требуют, чтобы для измерений использовались разные точки помещения в соответствии с установленной схемой. Естественное и искусственное освещение замеряется отдельно. При выполнении процедуры не допускается попадания на прибор даже малейшей тени. Не должно быть поблизости и любых источников электромагнитных волн. Все эти факторы могут создать помехи и повлиять на результаты измерений.

Полученную величину освещённости необходимо сравнить с параметром, установленным ГОСТом. На основании этих данных делаются выводы о достаточной или недостаточной освещенности какого-либо помещения или территории. После проведения испытаний составляется оценочный протокол.

Освещенность и светодиодные приборы

В процессе освещения светодиодами выделяется большое количество тепла. Для его рассеивания применяются теплопроводящие конструкции из алюминия, охлаждающие ребра и другие элементы, которые являются нейтрализаторами действия тепла. Создавая новые светильники, специалисты обязательно учитывают взаимную связь между освещенностью и потерями тепла.

Эксплуатационные сложности появляются, когда температура повышается свыше 50 градусов. В связи с этим замеры следует проводить примерно через два часа после начала работы светодиодных ламп. Чтобы исключить погрешность, измерение освещенности выполняются периодически, на протяжении всего рабочего дня. Подобные исследования рекомендуется проводить не реже 1 раза в течение года.

Один из самых распространенных в измерении факторов, вызывает самое большое количество вопросов в подготовке, измерении и оценке полученных результатов. Наряду с микроклиматом, освещенность измеряется при всех видах работ по охране труда, санитарно-эпидемиологическом надзоре, производственным контроле, при приемке объектов в эксплуатацию и прочих работах.

Казалось бы, обычная рутинная операция ставит всегда перед измерителем много вопросов:

- где измерять освещенность – в помещении или на рабочем месте?

- как располагать точки измерения освещенности в помещении?

- а как располагать точки измерения освещенности на рабочем месте, в помещении?

- сколько измерений достаточно для оценки помещения или рабочего места по фактору искусственной освещенности?

- усреднять необходимо по методу конверта или несколько измерений в одной точке?

- и ряд других вопросов, на которые я постараюсь ответить в этой статье.

Я сразу поставлю рамки этой статьи – рассматриваем вариант измерения уровня искусственной освещенности в помещении и на рабочем месте в горизонтальной плоскости.

Для начала необходимо разобраться в терминологии, так как большая часть проблем исходит как раз из-за незнания того фактора который мы измеряем. В помощь нам будут ГОСТ Р 56228-2014 «Освещение искусственное. Термины и определения», СП 52.13330.2011 «Свод правил. Естественное и искусственное освещение», СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» как основные документы с определением понятий в области измерения и оценки искусственного освещения.

Общее освещение – освещение открытых пространств или помещений (общее равномерное освещение) или отдельных зон (общее локализованное освещение) без учета специальных локальных требований.

Рабочая поверхность – поверхность, на которой проводят работу и для которой нормируют освещенность.

Средняя освещенность, Е ср, лк – освещенность, усредненная по заданной поверхности.

Минимальная освещенность, Е мин, лк – наименьшее значение освещенно сти, определенное в точках заданной плоскости.

Условная рабочая поверхность - Условно принятая горизонтальная поверхность, расположенная на высоте 0,8 м от пола.(СП 52.13330.2011).

Теперь определимся с объектом измерений: помещение или рабочее место. Как ни странно, но это разные объекты измерения и оценки. Помещение мы обычно оцениваем, когда нам необходимо провести оценку на соответствие СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03. Практически все нормативы там указаны для помещений или для рабочих поверхностей внутри обследуемых помещений. С нормативом для рабочих сложнее. В настоящий момент практически нет санитарных нормативов для оценки освещенности на рабочих местах. Есть только проект СанПиН «Гигиенические требования к физическим факторам производственной среды», который уже несколько лет из стадии проекта так и не вышел. Да и в самом СанПиНе есть нормативы, но они опять увязаны к разряду зрительных работ, что подразумевает много подготовительных работ перед непосредственно измерением и оценкой полученных результатов.

Важным условием проведения измерений является учет засветки помещения наружным освещением (светом небосвода и солнца). Измерения следует проводить в темное время суток или когда отношение естественной освещенности к искусственной внутри помещения составит не более 0.1. То есть если нормируемое значение в помещении или на рабочем месте составляет 200 люкс, то измерения можно проводить, когда уровень естественной освещенности при всех выключенных светильниках составит не более 20 люкс. Возможно, скоро эксперты по аккредитации возьмут на вооружение этот пункт и будут требовать в протоколе учет засветки окон от внешнего источника.

Нормативное значение освещенности в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 , установлены в точках ее минимального значения на рабочей поверхности внутри помещений . Таким образом, при оценке по этим Санитарным правилам, мы будем искать минимальное значение из всех значений полученных внутри помещения. Методика измерения минимальной освещенности описана в ГОСТ Р 54944-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения освещенности». Контрольные точки измерения минимальной освещенности от рабочего освещения размещают в центре помещения под светильниками, между светильниками и их рядами, у стен на расстоянии от 0.15 L до 0.25 L , но не более 1 метра от стены, где L – расстояние между рядами светильников.

Таким образом, мы выполняем измерения во всех указанных точках этого примерного эскиза, и наши предварительные записи будут выглядеть таким образом:

201	240	180	237	195	Х	Х	Х	Х	Х
191	270	215	264	230	Х	Х	Х	Х	Х
185	242	230	230	229	Х	Х	Х	Х	Х
235	269	235	275	240	Х	Х	Х	Х	Х
Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х

Примечание: Пустые клетки отмеченные Х тоже необходимо промерять.

В итоге мы получили сетку из предварительных результатов измерений, где желтым отмечены точки под светильниками, а серым между светильниками. Для того что бы сравнить с Санитарными нормами, нам необходимо выбрать наименьшее значение из полученных измерений. В нашем случае E min = 180 люкс, что и будет оценочным значением для всего помещения. Для расчета расширенной неопределенности результата измерений, нам необходимо провести многократные измерения не менее 4 раз и точка минимального значения будет расчетной. Все необходимые формулы и ход расчетов есть в ГОСТ Р 8.736-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения». Можно провести измерения один раз, но тогда для расширенной неопределенности вводится коэффициент охвата 2 в соответствии с Р 50.2.038-2004 «Рекомендации по метрологии. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений. Подробнее об этом можно прочитать в статье:

Данный случай работает только для помещения без отдельных рабочих мест или в том случае если все помещение является рабочим местом.

Одна из ключевых ошибок совершаемых специалистами лабораторий – это расчет среднего значения по результатам полученных измерений и сравнивание с гигиеническим нормативом. Как я уже выше писал, СанПиН 1278-03 нормирует освещенность в точках ее минимального значения на рабочей поверхности, а значит, и выбирать мы должны минимальное значение. Среднее значение всегда больше минимального и для нашего случая составит Еср – 230 люкс, что при нормативе в 200 люкс в первом случае позволит сделать заключение о несоответствии помещения санитарным нормам, что правильно, а во втором случае сделает возможным сделать положительное заключение о соответствии, что будет считаться ошибкой в работе лаборатории или того эксперта который делал измерения и производил оценку.
Уважаемые коллеги!
С 03 по 07 февраля 2020 года Учебный центр ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Краснодарском крае» организует проведение очного обучения на курсах повышения квалификации в г. Сочи