Zaloguj
Technika oświetleniowa to temat rzeka, nie sposób odnieść się do wszystkich zagadnień w jednym krótkim artykule. Specjaliści muszą orientować się w licznych definicjach i normach, dobrze znać wybrane prawa fizyki. My poruszymy tylko najbardziej istotne zagadnienia, a po szczegółowe informacje odsyłamy do bogatej literatury i oczywiście do Internetu.
Jakość oświetlenia określa m.in. norma PN-EN 12464-1:2012. Uwzględnia się w niej otoczenie, zakres czynności wykonywanych przez człowieka, efekty wpływające na samopoczucie człowieka, takie jak np. olśnienie, migotanie itp. Najbardziej istotne są normy określające warunki oświetlenia na stanowiskach pracy, gdyż narzucają one określone działania pracodawcy wobec pracownika. Należy zaznaczyć, że polska norma oświetleniowa jest pochodną normy europejskiej, do której przestrzegania jesteśmy zobowiązaniu jako członek Unii Europejskiej.
W artykule skupimy się jednak nie na przepisach prawnych, a na aspektach technicznych związanych z pomiarami oświetlenia. Redakcja EP otrzymała do testów i do recenzji spektrometr GL Spectis 1.0 Touch. Jest to uniwersalny przyrząd przeznaczony do pomiaru parametrów kolorymetrycznych i fotometrycznych oraz jeśli klient zamówi taką wersję urządzenia – także tętnienia oświetlenia. Urządzenie współpracuje z programem GL Spectrosoft oferowanym w wersjach: Basic, PRO i LAB.
Spektrometr GL Spectis 1.0 Touch mierzy m.in.: natężenie oświetlenia, strumień świetlny, wskaźnik oddawania barw zgodny z CIE, temperaturę barwową zgodnie z CIE, współrzędne barwy zgodnie z CIE 1931 i CIE 1964, energię promieniowania oraz tętnienia światła (flicker). Urządzenie ma małe wymiary, mieści się w dłoni i może być łatwo przenoszone na dowolne stanowisko przeznaczone do badania. Metalowa obudowa zapewnia dużą wytrzymałość mechaniczną, dobrze też ekranuje wewnętrzną elektronikę (fotografia 1). Miernik jest wyposażony w głowicę pomiarową (standardowy dyfuzor). Producent wraz ze spektrometerm przysłał do testów urządzenia peryferyjne, które współpracują z GL Spectis 1.0 Touch. Są to:
- Kula całkująca GL OPTI SPHERE 48 wykorzystywana do pomiarów strumienia świetlnego pojedynczych diod LED (fotografia 2).
- Sonda GL OPTI PROBE z ciężarkiem stanowiącym przeciwwagę do mocowania na ekranie przeznaczoną do pomiaru luminancji płaskich ekranów LCD, LED, plazmowych oraz ekranów projektorów i źródeł światła OLED (fotografia 3).
- Laser do precyzyjnego pozycjonowania głowicy GL OPTI PROBE (fotografia 4).
- Zasilacz do ładowania akumulatorów spektrometru.
- Walizka do transportu całego oprzyrządowania.
Obsługa spektrometru odbywa się za pośrednictwem ekranu dotykowego i jednego przycisku mechanicznego. Zastosowano znany ze smartfonów i tabletów system operacyjny Android, w którym po włączeniu urządzenia uruchamiana jest główna aplikacja. Obsługa spektrometru jest więc łatwa i intuicyjna. Jedynym mankamentem są niewielkie wymiary wyświetlacza powodujące, że przyciski ekranowe nie zawsze są prawidłowo wybierane. Szczególnie kłopotliwe jest naciskanie przycisków położonych w lewej części klawiatury alfanumerycznej ukazującej się wtedy, gdy zachodzi konieczność wprowadzania informacji tekstowych, np. nazw plików, dat, parametrów konfiguracyjnych itp. Każdy pomiar jest zachowywany na karcie pamięciowej micro SD. Użytkownik może okresowo lub np. po zakończeniu serii pomiarów zgrywać je do komputer,a korzystając z interfejsu USB.
Uniwersalna śruba fotograficzna dostępna na dolnej ściance spektrometru GL Spectis 1.0 Touch umożliwia mocowanie go do statywów lub optycznych ław laboratoryjnych. W zastosowaniach zaawansowanych zachodzi czasami potrzeba wykonywania pomiarów synchronicznych. Z myślą o tym spektrometr wyposażono w wejście/wyjście wyzwalające typu otwarty kolektor. Taki rodzaj wyjścia ułatwia dostosowanie połączeń wielu urządzeń pracujących z różnymi napięciami zasilającymi i różnymi standardami napięciowymi wejść cyfrowych.
Funkcje pomiarowe
Funkcje pomiarowe spektrometru GL Spectis 1.0 Touch są uruchamiane naciśnięciem odpowiednich przycisków rozmieszczonych na dwóch ekranach.
Indywidualne parametry pomiaru są zmieniane po wybraniu komendy „Config”. Jest w niej ustawiany czas całkowania (pomiaru światła), liczba powtórzeń umożliwiająca uśrednianie wyników i częstotliwość tętnienia. Najczęściej jednak optymalne parametry są uzyskiwane po zaznaczeniu opcji „Auto”.
Przed rozpoczęciem pomiarów użytkownik może przeprowadzić kalibrację prądu ciemnego. Jest to nieskomplikowana procedura, w przejrzysty sposób opisana w instrukcji obsługi.
Kolejnym parametrem, który jak już wiemy ma duży wpływ na nasze samopoczucie, jest tzw. flicker, czyli tętnienie światła. Odpowiedni pomiar jest inicjowany naciśnięciem przycisku „Flicker”. W ramach tego pomiaru określany jest współczynnik tętnienia Fi (indeks tętnienia), który można interpretować jako zmieniającą się w czasie luminancję lub widmo światła, przy czym często zmiany te są na tyle szybkie, że nie są postrzegane świadomie przez człowieka. Współczynnik tętnienia Fi jest wielkością niemianowaną (rysunek 7). Jego wartość jest obliczona z uwzględnieniem charakteru tętnienia światła. Ze względu na konieczność całkowania pomiarów wymagana jest odpowiednio duża moc obliczeniowa przyrządu.
Pozostaje kwestią otwartą – po co stosować tyle parametrów do określania w zasadzie jednego zjawiska? Trwają dyskusje na ten temat wśród specjalistów. Panuje opinia, że tętnienie wyznaczone za pomocą obu parametrów jest odczuwalne zależnie od częstotliwości.
Flicker jest efektem nierozerwalnie związanym z zasilaniem źródeł światła napięciami zmiennymi. Przykładowo, jasność świecenia żarówki zasilanej napięciem o częstotliwości 50 Hz zmienia się dwukrotnie w czasie jednego cyklu zasilania, stąd częstotliwość tętnienia jest równa 100 Hz. Niestety coraz częściej stosowane oświetlenie ledowe charakteryzuje się większym flickerem niż oświetlenie żarówkami tradycyjnymi, a nawet energooszczędnymi. Przykładowy pomiar tętnienia przedstawiono na fotografii 8. Porównano w nim flicker lampy z żarówkami energooszczędnymi i latarki tzw. czołówki. Jak widać, procentowy współczynnik tętnienia lampy jest równy 12,4%, parametr ten dla latarki osiąga wartość aż 99%, co wynika z impulsowego zasilania żarówki. Taki rodzaj zasilania zastosowano w celu regulacji jasności metodą zmiany współczynnika wypełnienia fali prostokątnej. Widać też, że częstotliwość napięcia zasilającego żarówkę latarki jest dużo wyższa niż w sieci energetycznej i wynosi 491 Hz. Dla porównania analogiczny pomiar pokojowego oświetlenia ledowego dał wynik Fp=44% (sic!).
Z tętnieniem oświetlenia wiąże się jeszcze jedna uciążliwość dająca o sobie znać w pewnych okolicznościach. Jest to efekt stroboskopowy. Flicker odnosił się do pomiarów statycznych, w którym zarówno obiekt mierzony, jak i źródło światła pozostawały bez ruchu. Oświetlany migotającym światłem obiekt poruszający się względem obserwatora może być przez niego postrzegany inaczej niż w sytuacji statycznej. Bywalcy dyskotek dobrze ten efekt znają, gdyż jest nierzadko wykorzystywany przez didżejów. Impulsowe oświetlenie ostrym światłem w zaciemnionym pomieszczeniu wywołuje efekt jakby spowolnionych ruchów. Spektrometr GL Spectis 1.0 Touch w pomiarze „Flicker” wyznacza związany z tym zjawiskiem specjalny współczynnik – SVM (Stroboscopic Visibility Measure). Przyjmuje się, że efekt stroboskopowy staje się widoczny, począwszy od SVM=1. Dla wartości tego parametru poniżej jedności można uznać, że efekt jest nieistotny.
Firmware spektrometru zawiera ponadto kilka funkcji wykorzystywanych do pomiarów wskaźników oddawania barw – CRI, nowe TM-30, Ra. Im wyższą wartość mają te parametry, tym dane źródło światła będzie lepiej oddawało naturalne barwy przedmiotów. Maksymalna wartość parametru Ra jest równa 100. Należy zwrócić uwagę na fakt, że powszechnie stosowane, względnie tanie (chińskie) lampy fotograficzne (luminescencyjne, nie żarowe) nie mają równomiernej charakterystyki widmowej (rysunek 9). Dziury w tej charakterystyce powodują, że lampy te nie mogą mieć Ra=100, a nawet niespecjalnie się do tego ideału zbliżają. Przykładowo, zmierzona w ramach testu lampa sprzedawana jako fotograficzna charakteryzowała się współczynnikiem Ra równym zaledwie 77. Już teraz wiadomo, dlaczego wartości tej nie podano na opakowaniu. Trochę lepiej prezentuje się oświetlenie LED, ale nadal osiągnięcie Ra większego od 90 jest dość problematyczne w tej technologii.
Kolejną formą charakteryzującą mierzone źródło światła są wykresy chromatyczności – funkcja „CIE Chart” (rysunek 10). W praktyce stosuje się kilka modeli, na podstawie których tworzone są wykresy CIE. Modele te są wybierane przez użytkownika po naciśnięciu odpowiedniej zakładki: 1931 (xy), 1960 (uv) oraz 1931 (u’v’).
Zbiorcze wyniki pomiarów uwzględniające wiele innych parametrów, o których nie sposób odnieść się w artykule, są wyświetlane po naciśnięciu przycisku „Results”.
Wraz z urządzeniem oferowane jest specjalistyczne oprogramowanie GL Spectrosoft ułatwiające zbieranie danych, analizę wyników oraz prowadzenie samych pomiarów. Najbardziej zaawansowana wersja – LAB – zapewnia pełną obsługę przyrządu i kompletną analizę wyników. Program jest zabezpieczony kluczem HASP, więc należy liczyć się z tym, że w trakcie pracy będzie zajmował jedno gniazdo USB.
Najważniejszą część okna programu zajmuje wykres widmowy (rysunek 11), który jest łatwo skalowany m.in. za pomocą kółka myszki komputerowej. Jeżeli w trakcie pracy z programem do komputera jest dołączony spektrometr, to pomiary mogą być inicjowane albo z przyrządu, albo z komputera. Wyniki pomiarów są zapisywane na dysku komputera, mogą być też eksportowane do innych programów w formacie tekstowym lub bezpośrednio przez clipboard. Trzeba jednak przyznać, że system plików nie jest zbyt intuicyjny i konieczny jest pewien czas na zdobycie doświadczenia i zrozumienie całej filozofii.
Pomiary spektrometrem dają bardzo dużą ilość informacji. Na szczęście wyniki są dla specjalisty prezentowane dość przejrzyście. Dobrym pomysłem ze strony autorów programu było zawarcie okna „Wybrane wyniki”, którego zawartość ustala użytkownik według własnych potrzeb. Dzięki temu ma zbiorcze wyniki tylko tych parametrów, które go interesują i nie musi przeszukiwać całej kolekcji. Jeśli wykonywane są pomiary porównawcze kilku źródeł światła, to bardzo przydatna jest tabela, w której znajduje się zestawienie wszystkich pomiarów. Taka forma ułatwia porównywanie poszczególnych przypadków.
Dysponując kompletem niezbędnych parametrów, możliwe jest wykonywanie obliczeń światłości (Luminous intensity), skuteczności świetlnej (Luminous efficasy), a nawet PPFD prezentującego wykres fotosyntetycznej gęstości strumienia elektronów.
Program generuje raporty z pomiarów, umożliwia zautomatyzowaną pracę z wieloma przyrządami, do czego są wykorzystywane skrypty automatyzacji. Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie graficznego edytora tych skryptów.
Redakcyjne testy spektrometru GL Spectis 1.0 Touch wykazały, że jest to przyrząd charakteryzujący się bardzo dużą precyzją i powtarzalnością pomiarów. Producenci przywiązują do tego bardzo dużą wagę, o czym świadczą certyfikaty potwierdzające precyzyjną kalibrację elementów zestawu pomiarowego, wydawane klientowi w chwili zakupu przyrządu. Klasę przyrządu podwyższono, implementując funkcję „Flicker”. Ciekawym rozwiązaniem jest automatyczne rozpoznawanie czujników dołączanych do spektrometru.
Nie uniknięto jednak drobnych niedociągnięć, do których trzeba zaliczyć dość niepewną obsługę przycisków ekranowych i niezbyt intuicyjny system plików w programie GL Spectrosoft. Mylący może być również wynik pomiaru flickera dla niemigających źródeł światła. Zdarza się, że jako wynik takiego pomiaru wyświetlane są podejrzanie duże częstotliwości, np. 6732 Hz. Można mieć też wątpliwość, czy podawany w instrukcji czas pracy na akumulatorze nie został zawyżony. Pomiary raczej nie potwierdzały tego parametru.
Jarosław Doliński, EP
Więcej informacji:
Redakcja „Elektroniki Praktycznej” dziękuje firmie GL Optic z Puszczykowa za wypożyczenie spektrometru GL SPECTIS 1.0 Touch do testów. Więcej informacji na temat tego i innych przyrządów jest dostępne na stronie internetowej gloptic.com.
