Современные люксметры – надежный контроль освещенности в любых условиях

Люксметры и принцип их работы

ЛЮКСМЕТР – это прибор для измерения освещенности в помещениях различного назначения, на рабочих местах, а также на открытом пространстве. Это сложная система, в состав которой входит фотодиод, усилитель сигнала с фотодиода, аналогово-цифровой преобразователь, а также косинусная насадка и световые фильтры. Работает люксметр на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта. Это процесс возникновения электропроводимости в полупроводниках под действием электромагнитного излучения (в отличие от внешнего фотоэффекта, когда происходит эмиссия электронов под действием света). Когда световой поток попадает на полупроводниковый фотоэлемент, происходит высвобождение электронов в объеме полупроводника и как следствие – через фотоэлемент проходит электрический ток. Причем сила этого тока прямо пропорциональна интенсивности света, то есть освещенности фотоэлемента, а кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света. Такие простые математические зависимости позволяют выразить величину освещенности количественно.

В первых аналоговых люксметр освещенность рассчитывалась по углу отклонения стрелки гальванометра. После изобретения селенового фотодиода и усовершенствования вакуумных фотоэлементов, электрическая фотометрия получила широкое применение как в бытовых, так и в промышленных масштабах. Современные люксметры – это портативные цифровые приборы, с жидкокристаллическим экраном, на котором отображается результат измерения, с высокой степенью защиты корпуса и чувствительного элемента, а также с набором дополнительных функций и возможностей.

В более дешевых моделях люксметров светочувствительный элемент может быть жестко закреплен на корпусе, что ограничивает возможности использования прибора. Гибкое соединение измерительной части с прибором обеспечивает возможности измерения в труднодоступных местах.

Селеновый фотодиод является чрезвычайно чувствительным не только к видимому излучению, но и к ультрафиолетовым и инфракрасным лучам, которые не воспринимаются человеческим глазом. Поэтому в современных люксметрах широко используются корректирующие светофильтры, которые отсекают эти области спектра и приближают чувствительность фотоэлемента к чувствительности человеческого глаза. С другой стороны, нужно учитывать и то, что каждый источник (лампа накаливания, люминесцентная лампа, диодный светильник и др.) имеет свой спектр излучения, поэтому для каждого люксметра нужно использовать свои коэффициенты для различных типов ламп. Например при измерении освещенности, создаваемой люминесцентными лампами, вводят поправочный коэффициент для ламп дневного света 0,88, а для ламп белого света – 1,15.

Для измерения пространственных характеристик освещенности тоже существуют свои средства – это насадки сферической и цилиндрической формы. Для повышения точности измерения освещенности при падении света под углом тоже можно использовать специальные насадки. В случае слабых источников света, а также, когда необходима особенно высокая точность, следует пользоваться вакуумными фотоэлементами.

Фотометрические параметры светового излучения и единицы их измерения

Раздел оптики, изучающий методы и приемы измерения световой энергии на основе зрительных ощущений называется фотометрия. В фотометрии принято описывать электромагнитное излучение с помощью параметров, учитывающих особенности восприятия света человеческим глазом.

И первая особенность заключается в том, что человек не видит излучение с длинами волн, менее 380 и более 780 нм (видимый диапазон электромагнитного излучения), поэтому любое излучение вне этого диапазона не влияет на яркость источника. Во-вторых, зрительная система человека имеет разную чувствительность к различным длинам волн. Например, зеленое излучение гораздо ярче для глаза, чем идентичное по мощности синее. Поэтому, такая физическая величина как мощность, не может быть характеристикой восприятия света человеческим глазом. Для решения проблемы, экспериментально построили зависимость, которая описывает чувствительность зрительной системы человека ко всем частот видимого диапазона спектра.

Эта зависимость носит название кривая спектральной световой эффективности (или «кривая видимости»).
Ее используют для расчета вклада каждой длины волны источника в его суммарную яркость. Кривая была принята в качестве международного стандарта в 1924 году Международной комиссией по освещению (CIE – Commission Internationale de l'Éclairage).
Разберемся теперь с определениями и единицами измерений.

СИЛА СВЕТА – это одна из основных фотометрических величин. Она характеризует величину световой энергии, переносимой в определенном направлении за единицу времени. Количественно сила света равна отношению светового потока, распространяющегося в определенном телесном угле, к величине этого угла. Единица силы света – кандела (Кд). Кандела (лат. candela — свеча) – одна из семи основных единиц измерения в системе СИ, равна силе света, излучаемого в заданном направлении монохроматическим источником с частотой 540 1012 Герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Эта частота соответствует зеленой области спектра, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Сила света, излучаемого одной свечой примерно равная одной кандела.

СВЕТОВОЙ ПОТОК – это физическая величина, численно равная количеству оцениваемой по зрительным ощущениям световой энергии, падающей на поверхность за единицу времени. Иными словами, это величина, позволяющая оценить мощность видимого излучения по его действию на роговицу глаза. Световой поток измеряется в люменах (Лм). Люмен – это световой поток, излучаемый точечным изотропным источником с силой света в одну кандела в телесный угол величиной в один стерадиан (1Лм = 1Кд * 1ср). Люмен – это полный поток от источника, который учитывает и рассеянный свет, поэтому люмен не может быть параметром оценки яркости, или полезной производительности луча от источника.

ЯРКОСТЬ – это отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную к оси наблюдения. Иными словами, яркость – это плотность светового потока (Кд/м²). Единицей измерения яркости является Стильб. 1 стильб = 104 Кд/м². Из всех фотометрических величин, яркость непосредственно связана со зрительными ощущениями, поскольку освещенность изображения предмета на роговице глаза пропорциональна яркости предмета.

ОСВЕЩЕННОСТЬ (или интенсивность светового потока) – отношение мощности светового потока к площади освещаемой поверхности. Единица измерения освещенности – Люкс. Люкс равен освещенности поверхности площадью 1м² при световом потоке падающего на нее излучения 1 Люмен. В США и англии применяют единицу яркости Фут-кандела. Это освещенность от источника силой одна кандела, находящегося на расстоянии одного фута от освещаемой поверхни.1 Фут-кандела примерно равна 10,74 Люкс, то есть для грубого пересчета, чтобы получить значение освещенности в люксах, нужно значение в фут-канделах умножить на 10 . Интенсивность светового потока измеряют также в Вт/м², или в таких экзотических для нас единицах как BTU (British thermal unit). Это количество тепла в калориях, необходимая для нагрева 1 англ. фунта воды на 1 °Ф.

Сравнительные характеристики и обзор люксметров

Маркет измерительных приборов SIMVOLT предлагает широкий выбор люксметров для различных задач, от недорогих, простых в использовании моделей, до сложных измерительных систем с массой дополнительных аксессуаров.

Простейшие модели люксметров (такие как LX-1010BS и SP-216) характеризуются относительно невысокой стоимостью и предназначены для измерений оценочного характера, не требующих высокой прецизионности. Отсутствие световых фильтров не позволяет поднять точность выше 10 Вт/м², однако этого вполне достаточно для контроля уровня освещенности в растениеводстве, метеорологии, в закрытых помещениях различного назначения, а также на открытом пространстве. К преимуществам этих люксметр можно отнести большой жидкокристаллический экран, понятное меню прибора, гибкое соединение чувствительного элемента с прибором, которое обеспечивает возможность измерений в труднодоступных местах.

Модель люксметра ТМ 202 уже оснащена фильтром для отсечения излучения вне видимого диапазона, имеет полутораметровый кабель соединения датчика с прибором, характеризуется набором дополнительных функций, таких как индикация перегрузки, индикация низкого заряда батареи, фиксация значения, функция максимального, минимального и усредненного значения. Этот люксметр предназначен для измерения всех видимых источников света в помещениях различного назначения.

Люксметр TM-213 UVAB разработан специально для измерения мощности ультрафиолетового излучения (УФИ). Этот люксметр найдет свое применение для санитарного и технического контроля, для контроля состояния окружающей среды (пляж, открытая местность, солярии) на предмет УФИ, для лабораторно-исследовательских потребностей и т. д.

Технические характеристики люксметров

 Люксметры, которые отнесем к следующей группе, предназначены для анализа света неоновых и светодиодных источников, а также стандартных источников света класса А (на основе вольфрамовой нити накаливания). Данные люксметры оснащены светофильтрами и высокочувствительными кремниевыми фотоэлементами, спектральный отзыв которых приближен к световой спектральной эффективности СИЭ. Все это, вместе с применением косинусной угловой коррекции для случая поперечного освещения, обеспечивает высокую точность измерений (±3 % при калибровке по стандартной лампе накаливания 2856 °K; ±6 % по другим видимыми источниками света). Дополнительные возможности для контроля уровня освещенности предоставляет 1,5 метровый гибкий кабель соединения сенсора с измерительным блоком. Удобными и полезными для пользователя люксметра являются функции минимального, максимального и усредненного значения, измерения освещенности в различных единицах (люксах или фут-канделах), фиксация результатов измерений (99 точек).

Технические характеристики люксметров

 К следующему класса отнесем профессиональные высокоточные люксметры с расширенными возможностями благодаря использованию различных датчиков.

Люксметр TM-208 может измерять солнечную энергию, ультрафиолетовое излучение, а также освещенность от различных искусственных источников излучения. Широкий диапазон измерений, регистратор данных на 45000 точек, USB-интерфейс для передачи данных на ПК с целью визуализации и последующей обработки. Кремниевый фотодиод, спектральный отклик которого приближен к СИЭ, фильтр и косинусная угловая коррекция обеспечивают высокую точность измерения освещенности. Найдет свое применение для контроля медицинских источников излучения, в физических и оптических лабораториях, для проверки фотоэлектрических модулей в полевых условиях, и для многих других задач.

Отдельно следует выделить профессиональные люксметры от известного европейского производителя измерительных приборов Delta OHM. Эти люксметры можно назвать универсальными благодаря возможностям их работы с широким модельным рядом датчиков излучения от этого же производителя. Это дает возможность работать в различных спектральных диапзонах от инфракрасного до ультрафиолета.

Оптические сенсоры серии LP-471 позволяют измерять количественные значения фотометрических и радиометрических величин таких, как освещенность (люкс, фут-кандела), яркость (кд/м²), интенсивность излучения (Вт/м², мкВт/см²) в видимой (VIS-NIR) и ультрафиолетовой (UVA, UVB, UVC) области спектра, а также количество фотонов, принятых за единицу времени на единицу площади в диапазоне фотосинтетически-активного излучения (PAR) с длиной волны от 400 до 700 нм (мкмоль/м²с). Сенсоры LP-471 для люксметров комплектуются диффузором косинусной коррекции. В сенсорах для измерения УФ излучения диффузор изготовлен из шлифованного кварца, для других – как правило изготавливается из акрила или тефлона (LP471 PHOT).

Вот список доступных сенсоров:

Подробнее о сенсорах для люксметров и особенности их применения Вы можете узнать на сайте маркета измерительных приборов SIMVOLT а также можете проконсультироваться у специалистов фирмы в телефонном режиме: (044) 221-93-73, 221-72-30.

Люксметр HD2302.0 является несколько упрощенным вариантом серии HD2102, у которого нет функции регистратора данных и интерфейса для подключения к ПК, а также нет функции расчета сумарных (интегральных) величин. Хотя, как и люксметры серии HD2102, может осуществлять фиксацию максимального, минимального и среднего значения измеряемой величины, работает со всеми типами фотометрических сенсоров фирмы DelltaOhm, оснащен удобным эргономичным корпусом и большым экраном. Есть функция автоматического выключения и фиксации результата.

Люксметр HD2102.2 – это портативный прибор, предназначенный для измерения освещенности, яркости и интенсивности излучения. Измеряет как мгновенные, так и интегрированные по времени значения измеряемых параметров. Регистратор данных на 38 000 точек и способность работы с ПК или мобильным принтером в реальном времени, открывают широкие возможности для контроля уровня освещенности. Функции Max, Min и Avg рассчитывают максимальное, минимальное и усредненное значения. Функции относительного измерения – REL, фиксации – HOLD и автоматического отключения, при необходимости можно дезактивировать.

Для чего нужно измерять освещенность?

Очевидно, что для подавляющего большинства живых существ на Земле, все жизненно важные процессы как на микроскопическом уровне, так и на уровне функционирования организма, напрямую связаны со светом. Это касается и растений, и животных, и человека. Мы созданы для жизни при солнечном свете. который влияет на физическое и даже эмоциональное состояние человека. Существует даже специальный медицинский термин, характеризующий недостаточность естественного освещения для человека – «световое голодание».

Недостаточное освещение существенно снижает производительность труда, вызывает сонливость, приводит к преждевременной усталости даже у работника после отдыха, снижается эффективность принимаемых решений и действий, возрастает вероятность ошибок, приводящих к заболеваниям, травмам и даже летальным исходам. Существует даже такая печальная статистика, которая свидетельствует, что в 20 % случаев травм возникали через недостаточную освещенность на производстве, а в 5 % – именно слабая освещенность рабочего места была причиной несчастных случаев.

Поэтому профессиональный контроль уровня освещенности с помощью люксметра является одним из основных параметров при создании микроклимата в помещениях. Прежде всего необходимо позаботиться о достаточности солнечного освещения, а при необходимости, использовать дополнительные источники освещения. Существуют научно разработанные международные стандарты ISO по освещенности рабочих мест в зависимости от видов деятельности и назначения помещений.

Вот некоторые из них (значения приведены в люксах). 

• Офисы с использованием компьютеров – 500
• Офисы большой площади – 750
• Офисы для чертежных работ – 1000
• Конференц-залы – 300
• Ступеньки та эскалаторы – 150
• Коридоры и холлы – 100

Для сравнения, в яркий солнечный день освещенность достигает значения от 32 000 до 130 000 люкс, при лунном свете ясной ночью – 0,27 люкс, свет звезд – 0,00005 люкс, в ярко освещенном офисе – порядка 400 люкс, в телевизионной студии – порядка 1000 люкс.

Люксметры необходимо применять везде, где стоит вопрос правильного распределения и установки освещения для производственных и бытовых нужд. Это и предприятия, фирмы, общественные места, школы, больницы, торговые центры и т. д. Причем, проводить измерения освещенности необходимо не только при установке систем освещения, но и периодически. Например, загрязнение ламп значительно снижает уровень освещенности помещений. Важно контролировать уровень освещенности и для профессиональных операторов и фотографов, и контролировать именно люксметрами, а не на глаз. Визуального контроля как правило бывает недостаточно.

Трудно переоценить значение достаточного и правильного освещения при выращивании сельскохозяйственных культур и различных растений в тепличных условиях. Ведь известно, что одни растения являются светолюбивыми, а другие прекрасно чувствуют себя в тени. Поэтому важно создать для каждого типа растения такой уровень освещенности, который бы максимально отвечал его потребностям.

Для иллюстрации, обратите внимание на следующий рисунок.

На фото слева изображен Ceratophyllum, растущий при идеальном уровне освещения – растение гармонично и полноценно развито. Средее фото – то же растение при низком уровне освещения, оно длинное, тонкое и бледно-зеленого цвета. А при избыточном освещении растение "выцветает" приобретая красноватую окраску (фото справа).

Как правильно выбрать люксметр?

При выборе люксметра определитесь со следующими моментами:

• Определите, с какими источниками света Вы собираетесь работать и в каком частотном диапазоне. В соответствии с этим выберите люксметр с соответствующим датчиком, или универсальный люксметр при условии, если требования к точности не слишком высоки. 
• Определитесь с техническими требованиями к полученному результату (точность, необходимое разрешение прибора).
• Нужны ли дополнительных функций, такие как определение максимального, минимального и усредненного значений, интегрированных характеристик, возможность работы с компьютером и т. д.

Помните, что правильный выбор люксметра под конкретные задачи обеспечит пользователю точный результат, а также долгую и безотказную работу прибора. Если же Вам тяжело самостоятельно определиться с моделью люксметра, обратитесь к консультантам SIMVOLT. Высококвалифицированные специалисты обязательно найдут оптимальное решение для Вас. Приятного выбора!

Литература:

http://habrahabr.ru/post/209738/

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%8E%D0%BA%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80

http://www.digitalvideo.ru/archiv/018/1807.htm

http://www.densurka.ru/node/958

http://www.dvfu.ru/ifit/~thnucl/Gen_phys/lecture10_1.pdf

http://www.myshared.ru/slide/86892/#

http://prom-sn.ru/spravochnaya-informatsiya/spravochnaya-informatsiya/tablitsa-normy-osveshchyennosti.html

Гнатюк Елена,
к.ф.-м. наук,
научный консультант SIMVOLT