Какая из фотометрических величин измеряется в люксах

Какая из фотометрических величин измеряется в люксах

Продолжим самообразование. В прошлый раз мы говорили о фотометрии и основных фотометрических величинах. Настало время рассказать о единицах измерения этих величин.

Единицей силы света источника в системе СИ является кандела. Раньше ею была свеча. Сила света (наряду с длиной, временем, массой, силой тока, температурой и количеством вещества) является основной единицей СИ. Эта единица воспроизводится специально изготовленным эталоном в виде абсолютно черного тела при температуре затвердевания чистой платины (2046,6 К) и давлении в 1 атмосферу (101 325 Па). Не будем вдаваться в технические подробности устройства такого эквивалента. Скажем только, что канделой (кд) называют силу света, излучаемого в направлении нормали с 1/60 см 2 излучающей поверхности указанного эталона. До введения канделы (1948 год) единицей силы света была меджународная свеча (1 м. св = 1,005 кд).

Напомним, что световой поток, посылаемый точечным источником света в телесный угол d Ω

.Полный световой поток, исходящий от источника света

Если для описания силы света пользуются энергетическими единицами, то говорят об энергетической силе источника, и измеряют эту величину в Вт/ср.

Единицей светового потока является люмен (лм) — световой поток, посылаемый точечным источником света в 1 канделу внутрь телесного угла в 1 стерадиан. Лучистый поток, как и следовало ожидать, измеряется в ваттах. Вводятся еще две дополнительные величины. Первая из них — это световая эффективность лучистого потока, или просто световая эффективность. Она равна числу люменов, соответствующее мощности в один ватт (лм/Вт). Вторая величина — обратная ей (Вт/лм) и называется она механическим эквивалентом света. Обе эти величины сильно зависят от длины волны λ . Их обычно приводят для зеленой волны λ =555 нм, где чувствительность нашего глаза максимальна. Они равны соответственно

625 лм/Вт и 0,00160 Вт/лм

Из закона сохранения энергии следует, что полный световой поток, исходящий от источника света, не может быть изменен (увеличен или уменьшен) никакими отражающими и преломляющими устройствами. Такие устройства могут только перераспределять световые потоки по различным направлениям. Например, вспышки, рефлекторы, софт-боксы, зонты и проч. Если точечный источник находится в прозрачной однородной среде, то на любых расстояниях от него остается постоянным не только полный поток Φ , испущенный источником в какой-либо момент времени, но и световой поток d Φ =Jd Ω в пределах телесного угла d Ω , исходящего от источника. А так как телесный угол d Ω не зависит от расстояния r от источника, то не будет зависеть от этого расстояния и сила света J. Интенсивность света I на расстоянии r будет равна отношению d Φ на площадь

перпендикулярного сечения рассматриваемого элементарного пучка лучей. Таким образом,

Итак, интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния до точечного источника.

Теперь немного поговорим об освещенности. Так называется световой поток, приходящийся на единицу площади освещаемой поверхности. Пусть от точечного источника лучи падают на поверхность под углом θ к нормали освещаемой поверхности. Тогда

Разделив на площадь поверхности ds, получим

Таким образом, освещенность, создаваемая точечным источником в отсутствии поглощения, обратно пропорциональна квадрату расстояния до него и прямо пропорциональна косинусу угла между направлением падающих лучей и нормалью к освещаемой поверхности. Это — так называемый закон обратных квадратов.

Единицей освещенности является люкс (лк). Это такая освещенность, которая создается световым потоком в 1 люмен, равномерно распределенным по площади 1 м 2 . Освещенность в 1 лк создается точечным источником силою в 1 кд на внутренней поверхности шара радиуса 1 м, если он помещен в центре этого шара и излучает равномерно по всем направлениям.

Вот некоторые цифры, позволяющие дать представление о величине люкса. Освещенность от Солнца вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца 135000 лк. Освещенность в одну-две десятых люкса создает ночью при безоблачном небе полная Луна. Освещенность, создаваемая молодой Луной или Луной на ущербе, порядка нескольких сотых люкса. Безоблачное звездное небо создает ночью освещенность в тысячные доли люкса. Освещенность в десятитысячные доли люкса позволяют с трудом ориентироваться ночью. При освещенности порядка одного люкса можно с трудом читать. Скорость чтения быстро нарастает при увеличении освещенности до 50 лк. На сегодня хватит.

Оставайтесь с нами, дальше будет только интересней!

Азбука света

Независимо от области технического света, будь то освещение магазинов или архитектурное освещение, подсветка фасадов задний или промышленное освещение, существуют единицы измерения, необходимые для оценки параметров освещения и характеристик используемого светотехнического оборудования.

Светотехнические величины, определяющие показатели освещения, основаны на оценке ощущения их глазом человека. Различают количественные и качественные показатели освещения. К количественным показателям относятся световой поток, сила света, освещенность, яркость и коэффициент отражения.

Количественные показатели освещения

Световой поток (Ф) – это мощность светового потока излучения, оцениваемая по зрительному ощущению человеческим глазом. Единица измерения светового потока – люмен (лм).

Сила света (J) – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении, т.е. световой поток, отнесенный к телесному углу ω , в котором он излучается. Единица измерения силы света- кандела (кд).

Освещенность (Е) – это плотность светового потока на освещаемой им поверхности – световой поток, отнесенный к площади освещаемой поверхности S, измеряемой в м2, при условии его равномерного распределения по поверхности, когда свет источника падает на нее перпендикулярно. Единица измерения освещенности – люкс.

Освещенность, создаваемая некоторыми источниками освещения:

• лунный свет 0,25 lx,
• солнце сквозь облака 10 000 lx,
• солнечный свет 100 000 lx,
• освещение в офисе 300-2000 lx,
• дорожное освещение 10-50 lx.

Именно освещенность является важнейшей характеристикой при проектировании освещения. Заказчику необходимо получить определенное количество люкс на поверхности освещаемого объекта. Для уличного освещения поверхностью может быть проезжая часть или тротуар, для внутреннего освещения поверхность пола или, если речь идет об освещении торгового зала магазина, поверхность торгового оборудования или манекена.

Нормы освещенности

Существуют определенные нормы освещенности для уличного освещения и освещения помещений. Эти нормы необходимо учитывать при выборе типа светильников, их количества и мощности. Нормы освещенности для различных освещаемых объектов регламентируются законодательно. СНиП 23.05.95 указывает на нормы освещенности улиц и дорог. Согласно документу различают три категории дорог:

• категория А — освещённость 20-15 лк,
• категория Б — освещённость 15-10 лк,
• категория В — освещённость 6-4 лк.

Для освещения помещений также существуют нормы освещенности. При проектировании промышленного освещения или освещения офисов эти нормы особенно важны для обеспечения надлежащих условий труда работников и обеспечения производственной безопасности. Для освещения торговых залов норм как таковых не существует. Однако, ритейлеры придерживаются общепринятых стандартов, пришедших к нам из Европы и США.

Измерение освещенности

Для измерения освещенности используют специальные приборы – люксметры. Примером аналогового люксметра может служить прибор Ю – 116, принцип работы которого основан на явлении фотоэлектрического эффекта.

Под влиянием светового потока, падающего на селеновый фотоэлемент, в замкнутой цепи возникает ток, величина которого пропорциональна световому потоку. Прибор проградуирован в люксах. При измерении освещенности фотоэлемент устанавливается в рабочей плоскости (горизонтальной или вертикальной) на некотором расстоянии от оператора, проводящего измерения, чтобы тень не падала на фотоэлемент.

В настоящее время нашли широкое применение аналого-цифровые приборы, позволяющие измерять не только освещенность, но и другие параметры, характеризующие освещение, например, коэффициент пульсации или яркость.

Освещенность на поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от лампы до поверхности. Если вы увеличили расстояние между светильником и освещаемой поверхностью в два раза — то освещенность уменьшиться в четыре раза. Освещенность на поверхности также зависит от величины угла, под которым освещается эта поверхность.

Яркость (В) является световой величиной, непосредственно воспринимаемой глазом. Она определяется отношением силы света в данном направлении к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению излучения.

Яркость некоторых источников освещения: люминесцентная лампа 0,8 cd/м2, хорошо освещённая улица 2 cd/м2, полуденное солнце 150 000 cd/м2, сила света свечи около 1 cd, свет маяка до 2 000 000 cd.

Коэффициент отражения поверхности r характеризует ее способность отражать падающий на нее световой поток. Он определяется отношением отраженного светового потока к падающему. Глянцевая поверхность имеет больший коэффициент отражения, чем матовая. Темные поверхности поглощают свет, светлые довольно хорошо его отражают. Поэтому при проектировании освещения помещений необходимо учитывать цвет стен, наличие зеркал, штор и прочих элементов дизайна, влияющих на итоговый уровень освещенности помещения.

Качественные показатели освещения

К качественным показателям освещения относятся: фон, контраст объекта различения с фоном, показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещенности, показатель дискомфорта.

Фон – это поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается светлым, если коэффициент отражения P больше 0,4; средним при P = 0,2. 0,4 и темным, если P меньше 0,2.

Контраст объекта различения с фоном К – это фотометрически измеряемая разность яркости двух зон. Он определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона:.

Контраст считается большим при К более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости), средним при К = 0,2. 0,5 (заметно отличаются) и малым, если К менее 0,2 (мало отличаются).

Показатель ослепленности (Р) – критерий оценки слепящего действия осветительной установки, определяемый выражением Р = (S – 1) 1000, где S – коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения.

Коэффициент пульсации освещенности (Кп) – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током.

Показатель дискомфорта (М) – критерий оценки дискомфортной блесткости1, вызывающей неприятные ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле зрения. Он определяет степень дополнительной напряженности зрительной работы, вызванной наличием резкой разницы яркостей в освещенном помещении.

Этот показатель для производственных помещений не нормируется, его нормируемые величины для жилых, общественных и административно-бытовых помещений приведены в [4], табл. 2, стр. 7–8. Там же на стр. 25 имеется формула для определения показателя дискомфорта М. .

Канделы, люмены, люксы, в чем разница?

Исторически складывалось так, что только глаз в течение 200 лет был тем самым эталонным приемником света, на основе которого и проводились все оценки и измерения силы света, яркости и освещенности. Из всей огромной оптической области излучения (10 нм — 1 мм) лишь узкая полоса спектра от 380 до 780 нм (световое излучение) может восприниматься человеческим глазом. При этом чувствительность человеческого глаза даже в рамках этого спектра неодинакова, она максимальна в зеленой области и резко спадает к фиолетовому и красному краям.

Ориентируясь на глаз, как на приемник света была введена система измерений, в которой равными принимаются такие воздействия, которые вызывают одинаковое зрительное ощущение.

Была построена функция V(λ), которая называется «спектральная световая эффективность». Ее графический вид представлен на рисунке 1, табличный — в таблице 2.

Из таблицы видно, что при значении 550 нм (длина волны зеленого цвета) энергоэффективность самая высокая. Физиологическое действие в 1 лм одинаково во всем спектре, но его энергетическая «цена» для зеленой области составляет 1/683 Вт, для фиолетовой — 1/62 Вт, а для малино-красной — 1/6 Вт. Поэтому глазу комфортнее в зеленой области, здесь физической воздействие («давление») на него наименьшее.

Различные эксперименты давали результаты, которые показали, что на длине волны λ= 555 нм излучение в 1 Вт соответствует световому потоку в 676 — 688 лм. Экспериментальным путем ученые пришли к соотношению, дававшему возможность пересчитывать люмены в ватты и обратно.

Канделы

В 1979 году 16-й Генеральной Конференции по Мерам и Весам было принято определение Канделы Канде́ла (от лат. candela — свеча) — одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Кандела — сила света в данном направлении от источника монохроматического излучения с частотой 540*10 Гц, имеющего интенсивность излучения в этом направлении равную 1 / 683 Вт в телесном угле равном одному стерадиану. Частота излучения 540*10 12 Гц соответствует длине волны λ = 555,016 нм в воздухе при стандартных условиях, которая почти для всех целей может быть взята равной 555 нм без влияния на точность реальных измерений.

( Оно отменяло предыдущее сложное измерение, зависящее ранее от черного тела, температуры затвердевания платины (2042 К) и давления 101 325 Н/м2)

История Канделы

Измерение в «свечах» началось в 1893 году в Германии.

Наименование «свеча Хефнера», было предложено в 1884 Ф. Хефнер-Альтенеком. Эталоном при этом служила фитильная лампа специальной конструкции. В качестве горючего в ней использовался амилацетат.

Три года спустя, в 1896 году на Международным электротехническом конгрессе была принята «десятичная свеча», равная 1,12 свечи Хефнера.

В 1909 г. «десятичная свеча» была откорректирована на одну десятую — заменена «международной свечой», равной 1,11 свечи Хефнера. Международная свеча воспроизводилась не с помощью фитильной лампы, а при помощи специальных ламп накаливания

В 1948г. состоялось решение о принятии новой единицы— Канделы. Канделу привязали к световому эталону, обладающему свойствами, близкими к свойствам абсолютно чёрного тела (Планковский излучатель). В расчетах были задействованы, как писалось ранее, окись тория, платина, находящаяся при температуре отвердевания (2046,6 К), ;нормаль с 1/60 см излучающей поверхности указанного эталона.Введённая таким образом Кандела была в 1,005 раз меньше, чем международная свеча, т.е. примерно 1,104 свечи Хефнера.

Привязка Канделы к видимому человеческим глазом спектру — наиболее логичный на тот момент времени вариант. Хотя на данный момент ведутся работы над новой версией формулировки.

Использование Кандел в тех. характеристиках источников света

В Канделах, зачастую, измеряется сила света направленных источников света, например, таких как светодиод в 5мм корпусе имеющий как правило линзу от 10 до 160 градусов, если быть точнее то измерение ведется в милиКанделах 1Кд=1000мКд. Количество Кандел указывает, сколько света испускает точечный источник света в одном направлении, в котором она светит наиболее интенсивно.

Например, светодиод ARL-4008UWC , при токе 20 мА имеет диапазон яркости 1,2 – 1,6 кд;

светодиод ARL-10080PGC4-15 диаметром 10 мм имеет яркость 30-40 кд;

Измерение освещенности

Контроль за освещённостью осуществляется с помощью специальных приборов — люксметров. Люксметры используются для измерения освещённости, создаваемой как искусственными, так и естественными источниками освещения. Единица измерения освещённости – люкс (лк), отражает количество светового потока, падающего на единицу поверхности. В Англии и США освещённость измеряют в фут-свечах (fc) — один люмен на квадратный фут (1 fc = 10,76 лк). В некоторых странах в «фотах» (фот) — один люмен на квадратный сантиметр (1 фот = 10000 лк).

Недостаточное количество света приводит к повышенной утомляемости, снижению работоспособности и негативно влияет на качество зрения. Несмотря на то, что при оценке света учитываются несколько параметров – сила света и яркость, именно освещенность является ключевым параметром.

Принцип работы люксметров предельно прост: он основан на работе фотоэлемента, преобразующего световую энергию в электрический ток. Все люксметры, применяемые для измерения освещённости, обладают небольшим размером и весом.

Люксметры, с помощью которых осуществляется измерение освещённости, в первую очередь применяются специалистами по охране труда. Обязательный контроль освещённости рабочего места, согласно действующим санитарным правилам – не реже одного раза в год. Актуально приобрести прибор для измерения освещённости и для домашнего использования. Вопрос освещения рабочего места — один из самых важных в правильной организации домашней работы учеников. Освещение в комнате ученика имеет большое значение для его здоровья, прежде всего, для здоровья глаз.

В России основной документ: СНИП 23-05-95, с 1995 года, постоянно обновляется согласно современным требованиям. Обновлённым вариантом такого документа является Свод правил Естественного и искусственного освещения от 20 мая 2011 года – СП 52.13330.2011. Существуют не только минимальные нормы, но и максимально допустимые. Это в особенности касается рекламного освещения и освещения витрин, чтобы не создавать световое загрязнения.

Нормы освещённости указаны в люксах для рабочей поверхности:
– если это кабинет, читальный зал или рабочая зона — то это высота стола (это высота обычно 0,8 метра от пола – Г-0.8);
– если это лестница, вестибюль, спортивный зал, дорога — то это: пол, полотно дороги, и т.п.(Г-0.0).

Освещённость помещений в номинальном выражении является потоком света, который излучается на поверхность под прямым углом в расчете на единицу площади. При падении света под острым углом освещённость снижается в зависимости от угла наклона.

Метод измерений

Прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений. По общим приемам получения результатов измерений методы различают на: прямой и косвенный. Прямой метод измерений – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения не требуют методики выполнения измерений (МВИ) и проводятся по эксплуатационной документации на применяемое средство измерений. Подтверждение соответствия этих методик обязательным метрологическим требованиям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений. ГОСТ Р 8.563-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. В соответствии с Законом РФ « Об обеспечении единства измерений» (статья 9), измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. «Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений…» (Из ФЗ № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» часть 1 статьи 5).

Выбор люксметра во многом зависит от поставленных перед прибором задач. Наиболее надежный и удобный измеритель освещённости — люксметр «ТКА-Люкс». Он способен измерить уровень освещения в диапазоне от 1 до 200 000 люкс. Время непрерывной работы данного прибора составляет не менее 8 часов. Для использования в музеях, библиотеках и научных центрах подойдет приборный комплекс «ТКА-ХРАНИТЕЛЬ» – приборный комплекс, созданный специально для учреждений культуры и искусства. Помимо функций люксметра, данный аппарат совмещает в себе функции УФ-радиометра, измерителя влажности и температуры воздуха. При этом его вес составляет всего 430 грамм. Наличие выносного датчика в люксметре даёт возможность определить освещённость с большей точностью, так как при этом влияние внешних факторов снижается. На современных моделях имеется жидкокристаллический дисплей. С помощью него намного проще снимать показания прибора.

Расчет цилиндрической косинусной насадки люксметра (результаты исследований показали, что использование стекла МС-13 толщиной более 2,5 мм и высотой выступающей части над корпусом равной 1,5 мм обеспечивают формирование пространственной характеристики с погрешностью не более 4%. Этого вполне достаточно для применения подобной конструкции в рабочих средствах измерения).

Измерение освещённости дорожного покрытия проводят стационарным или мобильным способом. Нормы освещения в зависимости от категории и класса объектов улично-дорожной сети для городских и сельских поселений должны соответствовать ГОСТ Р 55706 Освещение наружное утилитарное. Классификация и нормы. При проведении измерений на открытом воздухе при температурах, выходящих за пределы рабочих температур измерительных приборов, их следует размещать в специальном боксе с термостатированием. Температуру воздуха измеряют в начале и в конце измерений. Измерения следует проводить в темное время суток, когда естественная освещённость составляет не более 10% от минимальной освещённости на контрольном участке. При проведении измерений принимают меры по исключению или ограничению постороннего света. При стационарном способе измерения освещённости используют люксметр, фотометрическая головка которого имеет кабель достаточной длины для соединения с регистрирующим прибором для исключения затенения света от осветительных приборов персоналом. Если это затруднительно или невозможно, то влияние этого фактора учитывают при обработке результатов измерений. Наличие любых факторов, создающих посторонний свет, должно быть отражено в протоколе измерений.
В соответствии с классификацией измерение освещенности объектов по ГОСТ Р 55706 проводят измерения распределения освещённости покрытия проезжей части и пешеходной зоны, измерения распределения полуцилиндрической освещённости в пешеходной зоне и вертикальной освещённости на окнах зданий. Распределение освещённости на дорожном покрытии измеряют люксметром с фотометрической головкой, имеющей косинусную угловую характеристику.
Измерения горизонтальной освещённости (ГОСТ Р 54308-2011 Дороги автомобильные общего пользования. Горизонтальная освещённость от искусственного освещения. Методы контроля (Переиздание) проводят при температуре воздуха от +5°С до +35°С, относительной влажности воздуха не более 90% и отсутствии атмосферных осадков, тумана, задымления. Измерение горизонтальной освещённости от искусственного освещения следует производить в тёмное время суток, когда отношение естественной освещённости к искусственной составляет не более 0,1. При измерении горизонтальной освещённости необходимо исключить возможность падения тени от любого объекта на измерительный фотометрический датчик. Измерения горизонтальной освещённости проводят прямыми измерениями в плоскости дорожного покрытия.

Чем производить измерения

Сегодня купить приборы для измерения освещённости можно напрямую у производителя — ООО «НТП «ТКА». Данное научно-техническое предприятие занимается разработкой и выпуском контрольно-измерительных приборов с 1999 года. Каждый измеритель освещённости, выпущенный НТП «ТКА», соответствует государственным стандартам, имеет сертификаты и удобен в эксплуатации. Люксметры предназначены для прямых измерений освещённости в видимой области спектра, создаваемой различными источниками, произвольно пространственно расположенными.

Методика измерения внесена в эксплуатационную документацию (в частности, Руководство по эксплуатации) на средство измерения в раздел Порядок работы. Подтверждение соответствия этой методики измерения обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществлено в процессе утверждения типа данного средства измерения. Таким образом, все выпускаемые нами приборы предназначены для выполнения прямых измерений в полном соответствии со ст.5 (Требования к измерениям) Федерального закона 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Возможность вырезания естественного фона освещения

Наличие функции первоначального затемнения датчика позволяет при выключенном искусственном освещении в обследуемой точке измерить освещённость, обусловленную наличием естественного освещения. При дальнейшем измерении прибор будет вычитать из значения измеренной освещённости в этой же точке изначально измеренный уровень естественной освещенности: Е_иск = Е – Е _ест. Высокая стабильность во времени темновых характеристик используемого фотодатчика и заводская коррекция начального темнового уровня канала при нормальных условиях градуировки позволяет оценить границы основной относительной погрешности результата измерений, выполненных таким способом, при условии незначительности вклада случайной составляющей, как θ = 1,1√2 θ_пр , где θ_пр – относительная погрешность прибора, ( θ = 12,5%, при θ_пр = 8% ), при доверительной вероятности P = 0,95.
При этом необходимо учитывать, что пока будут выполняться оба этапа измерения, уровень естественной освещенности должен оставаться постоянным, т.е. в условиях максимальной стабильной световой обстановки:

• плотная облачность;
• отсутствие движения людей и объектов в районе точки измерения;
• минимальное время между этапами измерения;
• измерения фона и последующей общей освещённости производятся в одной точке пространства;
• при измерениях исключены перемещения и смена ориентации фотоголовки;
• при измерении исключены колебания значений фона.

• +7 (812) 331-19-81
• +7 (812) 331-19-82
• Info@tkaspb.ru
• Русский