(044) 221-93-73 (068) 867-43-47 (099) 423-46-53 (073) 041-80-26

Сучасні люксметри — надійний контроль освітленості за будь-яких умов

Люксметри та принцип їх роботи

ЛЮКСМЕТРИце прилади для вимірювання освітленості в приміщеннях різного призначення, на робочих місцях, а також на відкритому просторі. Це складна система, до складу якої входить фотодіод, підсилювач сигналу з фотодіода, аналогово-цифровий перетворювач, а також косинусна насадка та світлові фільтри. Працює люксметр на явищі внутрішнього фотоелектричного ефекту. Це процес виникнення електропровідності в напівпровідниках під дією електромагнітного випромінювання (на відміну від зовнішнього фотоефекту,коли відбувається емісія електронів під дією світла). Коли світловий потік потрапляє на напівпровідниковий фотоелемент, відбувається вивільнення електронів в об’ємі напівпровідника і як наслідок – через фотоелемент проходить електричний струм. Причому сила цього струму прямо пропорційна інтенсивності світла, тобто освітленості фотоелемента, а кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла. Такі прості математичні залежності дозволяють виразити величину освітленості кількісно.

У перших аналогових люксметрах освітленість розраховувалась за кутом відхилення стрілки гальванометра. Після винайдення селенового фотодіода та вдосконалення вакуумних фотоелементів, електрична фотометрія набула широкого застосування як в побутових так і в промислових масштабах. Сучасні люксметри – це портативні цифрові прилади, з рідкокристалічним екраном, на якому відображається результат вимірювання, з високими ступенями захисту корпусу та чутливого елемента, а також з набором додаткових функцій та можливостей.

В більш дешевих моделях люксметрів світлочутливий елемент може бути жорстко закріплений на корпусі, що обмежує можливості використання приладу. Гнучке з’єднання вимірювальної частини з приладом забезпечує можливості вимірювання у важкодоступних місцях.

Селеновий фотодіод є надзвичайно чутливим не тільки до видимого випромінювання, але й до ультрафіолетових та інфрачервоних променів, які не сприймаються людським оком. Тому в сучасних люксметрах широко використовуються корегуючи світлофільтри, які відсікають ці області спектру та наближають чутливість фотоелемента до чутливості людського ока. З іншого боку, потрібно враховувати і те, що кожне джерело (лампа розжарювання, люмінесцентна лампа, діод ний світильник та ін.) має свій спектр випромінювання, тому для кожного люксметра потрібно використовувати свої коефіцієнти для різних типів ламп. Наприклад при вимірюванні освітленості, що створюється люмінесцентними лампами, вводять поправочний коефіцієнт для ламп денного світла 0,88, а для ламп білого світла – 1,15.

Для вимірювання просторових характеристик освітленості теж існують свої засоби – це насадки сферичної та циліндричної форми. Для підвищення точності вимірювання освітленості при падінні світла під кутом теж можна використовувати спеціальні насадки. У випадку слабких джерел світла, а також коли необхідна особливо висока точність, варто скористатись вакуумними фотоелементами.

Фотометричні параметри світлового випромінювання та одиниці їх вимірювання

Розділ оптики, що вивчає методи та прийоми вимірювання світлової енергії на основі зорових відчуттів називається фотометрією. У фотометрії прийнято описувати електромагнітне випромінювання за допомогою параметрів, що враховують особливості сприйняття світла людським оком.

І перша особливість полягає в тому, що людина не бачить випромінювання з довжинами хвиль, менше 380 і більше 780 нм (видимий діапазон електромагнітного випромінювання), тому будь-яке випромінювання поза цього діапазону не впливає на яскравість джерела. По-друге, зорова система людини має різну чутливість до різних довжин хвиль. Наприклад, зелене випромінювання набагато яскравіше для ока, ніж ідентичне за потужністю синє. Тому така фізична величина як потужність не може бути характеристикою сприйняття світла людським оком. Для вирішення проблеми експериментально побудували залежність, яка описує чутливість зорової системи людини до всіх частот видимого діапазону спектра.

Ця залежність носить назву крива спектральної світлової ефективності (або «крива видності»). Її використовують для розрахунку внеску кожної довжини хвилі джерела в його сумарну яскравість. Крива відносної була прийнята в якості міжнародного стандарту в 1924 році Міжнародною комісією з освітлення (CIE - Commission Internationale de l'Éclairage). Розберемося тепер з означеннями та одиницями вимірювань.

СИЛА СВІТЛА – це одна з основних фотометричних величин. Вона характеризує величину світлової енергії, що переноситься в певному напрямку за одиницю часу. Кількісно сила світла дорівнює відношенню світлового потоку, що поширюється в певному тілесному куті, до величини цього кута. Одиниця сили світла — Кандела (кд).. Кандела (лат. candela — свічка) – одна з семи основних одиниць вимірювання в системі СІ, дорівнює силі світла, що випромінюється в заданому напрямку монохроматичним джерелом з частотою 540·1012 Герц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку складає 1/683 Вт/ср. Ця частота відповідає зеленій області спектру, до якої людське око є найбільш чутливим. Сила світла, що випромінюється однією свічкою приблизно рівна одній кандела.

СВІТЛОВИЙ ПОТІК – це фізична величина, що чисельно дорівнює кількості оцінюваної за зоровим відчуттям світлової енергії, яка падає на поверхню за одиницю часу. Іншими словами, це величина, що дозволяє оцінити потужність видимого випромінювання за його дією на рогівку ока. Світловий потік вимірюється в Люменах (лм). Люмен – це світловий потік, що випромінюється точковим ізотропним джерелом з силою світла в одну кандела в тілесний кут величиною в один стерадіан (1лм = 1кд*1ср ). Люмен – це повний потік від джерела, який враховує і розсіяне світло, тому Люмен не може бути параметром оцінки яскравості, або корисної продуктивності променя від джерела.

ЯСКРАВІСТЬ – це відношення сили світла, випромінюваного поверхнею, до площі її проекції на площину, що перпендикулярна до осі спостереження. Іншими словами, яскравість – це густина світлового потоку (кд/м2). Одиницею вимірювання яскравості є стільб. 1 стільб = 104 кд/м2. Зі всіх фотометричних величин, яскравість безпосередньо пов’язана з зоровими відчуттями, оскільки освітленість зображення предмета на рогівці ока пропорційна яскравості предмета.

ОСВІТЛЕНІСТЬ (або інтенсивність світлового потоку) – відношення потужності світлового потоку до площі освітлюваної поверхні. Одиниця вимірювання освітленості – Люкс. Люкс дорівнює освітленості поверхні площею 1м2 при світловому потоці падаючого на неї випромінювання 1 Люмен. В США та англії застосовують одиницю яскравості Фут-кандела. Це освітленість від джерела силою одна кандела, що знаходиться на відстані одного фута від освітлюваної поверхні. 1 Фут-кандела приблизно дорівнює 10,74 Люкс, тобто для грубого перерахунку, щоб отримати значення освітленості в Люксах, потрібно значення в Фут-канделах помножити на 10. Інтенсивність світлового потоку вимірюють також в Вт/м2, або в таких екзотичних для нас одиницях як BTU (British thermal unit). Це кількість тепла в калоріях, необхідна для нагрівання 1 англ. фунта води на 1 °Ф.

 

 

Фотометрична величина

Означення

Одиниці вимірювання

Сила світла

потужність/тілесний кут

Кандела (Кд)

Густина світлового потоку (яскравість)

потужність/(тілесний кут * площу)

Кд/см2 = Стильб (Сб)

Світловий потік (світлова потужність)

потужність

Кд*ср = Люмен (Лм)

Освітленість (інтенсивність світлового потоку)

потужність/площу

Кд/м2 = Люкс (Лк)

 

 

Порівняльні характеристики та огляд люксметрів

Маркет вимірювальних приладів SIMVOLT пропонує широкий вибір люксметрів для різних задач, від недорогих, простих у користуванні моделей, до складних вимірювальних систем з масою додаткових аксесуарів.

Найпростіші моделі люксметрів (такі як LX-1010BS та Ezodo SP-216) характеризуються відносно невисокою вартістю та призначені для вимірювань оціночного характеру, що не вимагають високої прецизійності. Відсутність світлових фільтрів зумовлює точність порядку 10 Вт/м2, проте цього цілком достатньо для контролю рівня освітленості у рослинництві, метеорології, у закритих приміщеннях різного призначення, а також на відкритому просторі. До переваг цих люксметрів можна віднести великий рідкокристалічний екран, зрозуміле меню приладу, гнучке з’єднання чутливого елементу з приладом, що забезпечує можливість вимірювань у важкодоступних місцях.

Модель люксметра ТМ 202 вже оснащена фільтром для відсікання випромінювання поза видимим діапазоном, має півтораметровий кабель з’єднання датчика з приладом, характеризується набором додаткових функцій таких як індикація перенавантаження, індикація низького заряду батареї, фіксація значення, функція максимального, мінімального та усередненого значення. Цей люксметр призначений для вимірювання всіх видимих джерел світла в приміщеннях різного призначення.

Люксметр TM-213 UVAB розроблений спеціально для вимірювання потужності ультрафіолетового випромінювання (УФВ). Цей люксметр знайде своє застосування для санітарного та технічного контролю, для контролю стану навколишнього середовища (пляж, відкрита місцевість, солярії) на предмет УФВ, для лабораторно-дослідних потреб і т.д.

Технічні характеристики люксметрів

 

LX-1010BS

SP-216

ТМ 202

TM-213 UVAB

Діапазон вимірювання

0 -100 000 LUX

0-1999 Вт/м2
0-634 BTU

20,200,2000,20000 200000 лк
20,200,2000,20000 фк

4000 мкВт/cм2,
20 мкВт /cм2

Роздільна здатність

-

0.1 Вт/м2 ,
або 0.1 BTU

-

1 мкВт/cм2, 0,01 мкВт/cм2

Точність

-

±10 Вт/м2
±3 BTU

+/- 3%

±5%повного діапазону +2 од.

Час спрацьовування

0,4 с

0.25 с

-

0,4 с

Габарити

116×70×29 мм

132x60x38 мм

130 x 55 x 38 мм

133x48x23 мм

Вага

200 г

150 г.

250 г

90 г

Люксметри, що їх віднесемо до наступної групи, призначені для аналізу світла неонових і світлодіодних джерел, а також стандартних джерел світла класу А (на основі вольфрамової нитки розжарювання). Дані люксметри обладнані світлофільтрами та високочутливими кремнієвими фотоелементами, спектральний відгук яки наближено до світлової спектральної ефективності СІЕ. Все це, разом із застосуванням косинусної кутової корекції для випадку поперечного освітлення, забезпечує високу точність вимірювань (+/-3% при калібруванні за стандартною лампою розжарювання 2856 ºK, +6 %  за іншими видимими джерелами світла). Додаткові можливості для контролю рівня освітленості надає 1,5 метровий гнучкий кабель з’єднання сенсора з вимірювальним блоком. Зручними і корисними для користувача люксметра є функції мінімального, максимального та усередненого значень, вимірювання освітленості в різних одиницях (люксах чи фут-канделах), фіксація результатів вимірювань (99 точок).

Технічні характеристики люксметрів

TM-201L

TM-209

TM-209N  

TM-209M

Для вимірювання світлодіодних джерел

Для вимірювання світлодіодних джерел

Для вимірювання неонових та світлодіодних джерел

Для вимірювання багатокольорових світлодіодних джерел

½ цифровий РК дисплей, максимальне значення 2000

Біле світло, світло діодів та всі джерела видимого світла

7 неонових джерел світла та інші джерела видимого світла

6 світлодіодних джерел та інші джерела видимого світла

Діапазон 200,2000,20000,200000лк
20,200,2000,20000 фк

Діапазон
40, 400, 4000, 40000, 400000 люкс,
40, 400, 4000, 40000 фут-кандел

Функція максимуму

Функція максимуму, мінімуму, середнє значення

Ручне обнулення

Функція налаштування нуля

Ручний вибір діапазону

Автовибір діапазону

Габарити приладу130x55x38 мм, габарити датчика 80х55х25 мм, Вага 250 г

 До наступного класу віднесемо професійні високоточні люксметри з розширеними можливостями завдяки використанню різних датчиків.

Люксметр TM-208 може вимірювати сонячну енергію, ультрафіолетове випромінювання, а також освітленість від різних штучних джерел випромінювання. Широкий діапазон вимірювань, реєстратор даних на 45 000 точок, USB-інтерфейс для передачі даних на ПК з метою візуалізації та подальшої обробки. Кремнієвий фотодіод, спектральний відклик якого наближений до СІЕ, фільтр та косинусна кутова корекція забезпечують високу точність вимірювання освітленості. Знайде своє застосування для контролю медичних джерел випромінювання, у фізичних та оптичних лабораторіях, для перевірки фотоелектричних модулів у польових умовах, та для багатьох інших задач.

Особливо слід виділити професійні люксметри від відомого європейського виробника вимірювальних приладів Delta OHM. Ці люксметри можна назвати універсальними завдяки можливостям їх роботи з широким модельним рядом сенсорів випромінювання від цього ж виробника. Це дає змогу працювати в різних частинах спектру від інфрачервоного до ультрафіолетового діапазону.

Оптичні сенсори серії LP471 дозволяють вимірювати кількісні значення фотометричних та радіометричних величин таких, як освітленість (люкс, фут-кандела), яскравість (кд/м2), інтенсивність випромінювання(Вт/м2, мкВт/см2) у видимій(VIS-NIR) та ультрафіолетовій (UVA, UVB, UVC) частині спектру, а також кількість фотонів, прийнятих за одиницю часу на одиницю площі в діапазоні фотосинтетично-активного випромінювання (PAR) з довжиною хвилі від 400 до 700нм (мкмоль/м2·с). Сенсори LP471 для люксметрів комплектуються дифузором косинусної корекції. В сенсорах для вимірювання УФ випромінювання дифузор виготовлений зі шліфованого кварцу, для інших – як правило виготовляється з акрилу або тефлону (LP471 PHOT). Ось перелік доступних сенсорів:

LP471 PHOT

для вимірювання освітленості. Діапазон: 0,01…200*103 люкс. Спектральний відгук відповідає стандарту фотопічного зору.

LP471 LUM2

для вимірювання яскравості. Діапазон: 0,1…2000*103 кд/м2спектральний відклик відповідає стандарту фотопічного зору, кут огляду 2°.

LP471 RAD

для вимірювання інтенсивності випромінювання (Вт/м2). Діапазон вимірювання: 0,1*10-3…2000Вт/м2

LP471 UVA

вимірює інтенсивність в частині ультрафіолетового спектру UVA (315÷400нм). Діапазон вимірювання 0,1*10-3…2000Вт/м2

LP471 UVB

вимірює інтенсивність в частині ультрафіолетового спектра UVB (280нм –315нм). Діапазон: 0,1*10-3…2000Вт/м2

LP471 UVC

вимірює інтенсивність в частині ультрафіолетового спектра UVC (200нм ÷280нм). Діапазон: 0-200 мВт/cм2.

LP471 PAR

для вимірювання фотосинтетично-активного випромінювання. Діапазон: 0-5000 (мкмоль/(м-2с-1).

LP471 ERY

Для вимірювання ефективної загальної освітленості в спектральні області 250 нм…400 нм. Діапазон:0,1*10-3 Вт/м2 …2000 Вт/м2

Більше інформації про сенсори для люксметрів та особливості їх застосування Ви можете отримати на сайті маркету вимірювальних приладів SIMVOLT а також проконсультуватись у спеціалістів фірми в телефонному режимі: (044) 221-93-73, 221-72-30.

Люксметр HD2302.0 є дещо спрощеним варіантом серії HD2102, який не має функції реєстратора даних та інтерфейсу для підключення до ПК, а також не має функції для розрахунку інтегрованих величин. Хоча, як і люксметри серії HD2102, може здійснювати фіксацію максимального, мінімального та середнього значення вимірюваної величини, працює з усіма типами фотометричних сенсорів фірми DelltaOhm, має зручний ергономічний корпус та великий екран. Має функції автоматичного вимикання та фіксації результату.

Люксметр типу HD2102.2 представляє собою портативний прилад, призначений для вимірювання освітленості, яскравості та інтенсивності випромінювання. Вимірює як миттєві, так і інтегровані за часом значення вимірювальних параметрів. Реєстратор даних на 38000 точок та здатність роботи з ПК, або мобільним принтером у реальному часі відкривають широкі можливості для контроль рівня освітленості. Функції Max, Min та Avg розраховують максимальне мінімальне та середнє значення результату. Наявні функції відносного вимірювання-REL, фіксації-HOLD та автоматичного вимикання, які за потреби можна дезактивувати.

Для чого потрібно вимірювати освітленість?

Очевидно, що для переважної більшості живих істот на Землі, життєво важливі процеси як на мікроскопічному рівні, так і на рівні функціонування організму, напряму пов’язані зі світлом. Це стосується і рослин, і тварин, і людини. Ми створені для життя при сонячному світлі, що впливає на фізичний та навіть емоційний стан людини. Існує навіть спеціальний медичний термін, що характеризує недостатність природного освітлення для людини – «світлове голодування».

Недостатнє освітлення суттєво знижує продуктивність праці, викликає сонливість, призводить до передчасної втоми навіть у працівника після відпочинку, знижується ефективність прийнятих рішень і дій, зростає ймовірність помилок, що призводять до захворювань, травм і навіть летальних випадків. Існує навіть така сумна статистика, яка свідчить, що у 20 % випадків травми виникали через недостатню освітленість на виробництві, а в 5% - саме слабка освітленість робочого місця була причиною нещасних випадків.

Тому професійний контроль рівня освітленості за допомогою люксметрів є одним з основних параметрів при створенні мікроклімату у приміщеннях. Перш за все необхідно подбати про достатність сонячного освітлення, а за необхідності, використовувати додаткові джерела освітлення. Існують науково розроблені міжнародні стандарти ISO щодо освітленості робочих місць в залежності від вид діяльності та призначення приміщень. Ось деякі з них (значення наведені в люксах). 

  • Офіси з використанням комп’ютерів – 500
  • Офіси великої площі – 750
  • Офіси з креслярськими роботами – 1000
  • Конференц-зали – 300
  • Сходи та ескалатори – 150
  • Коридори та холи – 100

Для порівняння, в яскравий сонячний день освітленість досягає значення від 32 000 до 130 000 люкс, при місячному світлі ясної ночі – 0,27 люкс, світло зірок – 0,00005 люкс, в яскраво освітленому офісі – порядку 400 люкс, в телевізійній студії – порядку 1000 люкс.

Люксметри необхідно застосовувати скрізь, де стоїть питання правильного розподілу та встановлення освітлення для виробничих та побутових потреб. Це і підприємства, фірми, громадські місця, школи, лікарні, торгові центри і т.д. Причому, проводити вимірювання освітленості необхідно не тільки під час встановлення систем освітлення, але і періодично. Наприклад, забруднення ламп значно знижує рівень освітленості приміщень. Важливо контролювати рівень освітленості і для професіональних операторів та фотографів, і контролювати саме люксметрами, а не на око. Візуального контролю як правило буває недостатньо.

Важко переоцінити значення достатнього і правильного освітлення при вирощуванні сільськогосподарських культур та різних рослин в тепличних умовах. Адже відомо, що одні рослини є світлолюбними, а інші прекрасно почуваються у затінку. Тому важливо створити для кожного типу рослини такий рівень освітленості, що максимально відповідав би її потребам. Для ілюстрації, зверніть увагу на наступний малюнок.

На фото зліва зображено Ceratophyllum, що росте при ідеальному рівні освітлення – рослина гармонічно і повноцінно розвинута.. У середині – та ж рослина при низькому рівні освітлення, вона довга, тонка і блідо-зеленого кольору. А при надлишковому освітленні рослина "вицвітає" набуваючи червонуватого забарвлення.

Як правильно вибрати люксметр?

При виборі люксметра визначтесь з такими моментами:

  • Визначте, з якими джерелами світла Ви збираєтесь працювати та в якому частотному діапазоні. Відповідно до цього оберіть люксметр з відповідним датчиком, або ж універсальний люксметр за умови, якщо вимоги до точності не дуже високі. 
  • Визначтесь з технічними вимогами до отриманого результату (точність, необхідна роздільна здатність приладу).
  • Чи потрібна наявність додаткових функцій, таких як визначення максимального, мінімального та усередненого значень, інтегрованих характеристик, можливість роботи з комп’ютером.

Пам’ятайте, що правильний вибір люксметра під конкретні задачі забезпечить користувачу точний результат та довгу і безвідмовну роботу приладу. Якщо ж Вам важко самостійно визначитись з моделлю люксметра, зверніться за допомогою до консультантів SIMVOLT. Висококваліфіковані спеціалісти обов’язково знайдуть оптимальне рішення для Вас. Приємного вибору!

Використані джерела:

http://ecounit.com.ua/artikle_103.html

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.vmedaonline.narod.ru/Chapt06/App_41.html

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 Олена,
к.ф.-м. наук,
науковий консультант SIMVOLT