W polskim prawodawstwie i obowiązujących normach 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, tym bardziej uzyskiwane wyniki będą uzależnione od charakterystyki widmowej mierzonego promieniowania. Ze względu na swoje parametry luksomierze firmy Sonel klasy A i B bardzo dobrze sprawdzają się w pomiarach natężenia światła LED.

W warunkach niedostatecznego dopływu światła 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].

Kalibracja luksomierza

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 jakości potwierdzonej przez Polskie Centrum Akredytacji, gdzie przeprowadzona kalibracja będzie 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

.

Rys. 2. Luksomierz LXP-2 firmy Sonel

Rys. 3. Względne rozkłady widmowe mocy promienistej typowych diod LED

Korekcja głowicy fotometrycznej
Jednym z najważniejszych elementów ustawień luksomierza jest skorygowanie głowicy fotometrycznej pod względem widmowym i przestrzennym. Urządzenie powinno 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 cosinus kąta padania promieniowania na jego płaszczyznę pomiarową. Częścią składową głowicy pomiarowej jest detektor fotoelektryczny – krzemowy (luksomierze firmy Sonel). Czułość widmowa tych detektorów odbiega od wymaganej czułości widmowej luksomierza, opracowanej przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE). Dlatego stosuje się widmowe filtry korekcyjne oraz elementy rozpraszające, które zapewniają zgodność jego wskazań z cosinusem kąta padania światła.

Dokładność pomiarów
Kolejny istotny parametr luksomierzy to wartość błędu korekcji widmowej f1’(miara niedopasowania czułości luksomierza do krzywej V(λ) oraz wartość błędu f1 wynikającego z różnic w rozkładzie widmowym źródła mierzonego i kalibracyjnego.
Ze względu na dokładność luksomierze dzieli się na cztery klasy. Najwyższą dokładność (klasa L) – błąd f1’ nieprzekraczający 1,5% – oferują luksomierze laboratoryjne. Urządzenia o f1’ zawierającym się w przedziale 1,5%<f1’<3% to luksomierze klasy A, o bardzo dobrej jakości (Sonel LXP-10A). Luksomierze średniej
jakości, o wartości błedu z przedziału 3%<f1’<6%, to klasa B (Sonel LXP-10B, LXP-2). Natomiast za luksomierze o niskiej jakości uważa się urządzenia pomiarowe, dla których f1’ jest większe od 6%, ale nie przekracza 9% (klasa C).

Rys. 4. Luksomierz LXP-10 firmy Sonel

Pomiary natężenia światła LED

Obecnie, w związku z dynamicznym rozwojem techniki oświetleniowej, żarowe źródła światła ze względu na niską skuteczność świetlną są zastępowane przez bardziej wydajne diody LED. Podstawą działania LED jest zjawisko elektroluminescencji w ciele stałym. Do podstawowych zalet diod elektroluminescencyjnych należy zaliczyć: mały pobór prądu, małą wartość napięcia zasilającego, dużą sprawność, małe rozmiary, dużą trwałość, a także dużą 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 światła LED. Jedynie raport wydany 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. 3.). Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) oznaczyła tą różnicę jako błąd f1.

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. Zatem, aby otrzymać prawidłową wartość pomiaru natężenia światła E_r, należy wskazania luksomierza E_Z przemnożyć przez współczynniki korekcyjne k (1):

Na podstawie badań wykonanych przez I. Fryc, P. Tabaka [9] obliczono współczynniki korekcyjne dla źródła światła LED dla trzynastu dostępnych na rynku luksomierzy. Przyjmują one wartości od 1 do 0,78 w zależności od używanego luksomierza.

Pomiary natężenia światła LED
za pomocą luksomierzy Sonel

Firma Sonel posiada w ofercie luksomierze klasy A i B. Im wyższa klasa miernika, tym mniejsze wartości natężenia oświetlenia można nim zbadać. Wybierając miernik do pomiarów natężenia światła 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 klasy A spełnia ten warunek. Zatem bardzo dobrze nadaje się do pomiaru natężenia światła emitowanego przez białe diody LED. Natomiast dla luksomierzy LXP-10B oraz LXP-2 klasy B o zadeklarowanej wartości błędu korekcji widmowej f1’ < 6%, należy również wziąć pod uwagę wartość błędu f1 wynikającą z różnic w rozkładzie widmowym źródła mierzonego i kalibracyjnego. Ponieważ dla luksomierzy klasy A i B współczynniki korekcyjne k (1) przyjmują wartości bliskie 1 (k ~ 1), zatem nie mają one znacznego wpływu na mierzoną wartość natężenia oświetlenia.

Rys. 5. Luksomierz LXP-10 firmy Sonel – pomiar

Podsumowanie

Luksomierze firmy Sonel klasy A i B w pełni pozwalają na poprawne pomiary natężenia światła źródeł LED. Należy jednak pamiętać, iż używany do pomiarów miernik powinien posiadać aktualne świadectwo wzorcowania, które potwierdzi sprawność urządzenia i spełnienie przez nie deklarowanych poziomów niepewności widmowej i podstawowej. Czym mniejsza niepewność widmowa i całkowita, tym wynik pomiaru jest w większym stopniu zgodny z rzeczywistą wartością.

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.
[9] P. Tabaka, I. Fryc, „Wpływ niedopasowania widmowego luksomierzy na dokładność wykonywanych pomiarów natężenia oświetlenia”, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, Nr 54, Wydawnictwo Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2017.

Dorota Kołakowska
Specjalistka metrolog w firmie Sonel