Если нет фотометрического шара: немного о световых потоках и освещённостях

Введение

1. Световой поток Ф источника света – общее количество световой энергии, испускаемое с его поверхности в единицу времени. Излучаемый световой поток является характеристикой источника света. Измеряется в люменах.
2. Сила света I источника – пространственная (объёмная) плотность излучаемого светового потока в выбранном направлении относительно источника света:
   I = dФ / dΩ
   Она характеризует долю светового потока, которую источник излучает в данном направлении. Измеряется в канделах. Диаграмма, показывающая все возможные значения силы света вокруг излучателя, носит название кривой силы света – КСС. Сила света и КСС также являются характеристиками источника света.
3. Яркость L источника света– удельная сила света с единицы его площади. Этот параметр удобен тем, что позволяет визуально сопоставлять излучатели разной формы, размеров и площади. Источники, имеющие одинаковую яркость, будут выглядеть как части одной равномерно светящей поверхности. Яркость также является характеристикой источника и измеряется в канделах на метр квадратный.
4. Освещённость E – удельный световой поток, падающий на единицу приёмной поверхности. В отличие от предыдущих величин, освещённость является свойством приёмной поверхности, хотя и зависит в том числе от свойств источника света. Измеряется в люксах.
   Прямая перпендикулярная освещённость, создаваемая источником с силой света I на расстоянии r, определяется по формуле закона квадратов расстояний:
   E = I / r² = dФ / dΩ × r²

Теперь представим, что перед нами стоит задача в домашних условиях, «на коленке», измерить какие-либо из параметров источника света (лампы), например световой поток. Как правило, из доступных светоизмерительных приборов в нашем распоряжении может оказаться максимум люксметр – прибор для измерения освещённостей. Собственно, некоторые деятели с ютубов особо и не заморачиваются – измеряют световые потоки прямо в люксах! Причём определяют на этом основании «лучше» и «хуже светящие» лампы Но мы-то с вами не такие, так как теперь уже знаем, что освещённость – это свойство не лампы, а освещаемой поверхности. То есть она зависит от точки пространства, в которой производится измерение, а также от ориентации в пространстве этой самой поверхности, для которой проводится измерение. Если говорить совсем просто, то в теории практически от любого источника можно намерить произвольную освещённость, манипулируя положением люксметра. Вряд ли это как раз то, что нам нужно!

Хорошо, тогда как же всё-таки правильно измеряют световые потоки? Для этого используется так называемое интегрирующее приспособление, позволяющее собрать весь излучаемый источником свет во всех направлениях – фотометрический шар:

Это устройство представляет собой разъёмную сферу из непрозрачного материала, изнутри окрашенную белой матовой краской с очень высоким коэффициентом отражения. Внутрь помещается исследуемый источник света, световой поток которого многократно отражается от внутренней поверхности сферы и создаёт на ней некоторую освещённость. Датчик освещённости, расположенный в одной из точек сферы и экранированный от прямого света источника, соответственно даёт показания, пропорциональные световому потоку последнего. КСС (равномерность пространственного распределения) источника при этом никакой роли не играет. Вроде бы всё довольно просто, причём опять же может использоваться обычный люксметр.

Так-то оно так, да не совсем. В домашних условиях эту технологию задействовать крайне затруднительно по целому ряду причин:

• фотометрический шар – довольно дорогой и труднодоставаемый прибор;
• для получения приемлемо низкой погрешности измерения размеры шара должны значительно превосходить размеры измеряемых источников света (а с увеличением размера в геометрической прогрессии растут и цены );
• для корректной градуировки люксметра в значениях светового потока необходима эталонная (светоизмерительная) лампа, например такая, а также прецизионный источник питания для неё.

Кстати, о размерах: шар для измерения потока обычных люминесцентных ламп/светильников длиной 1,2/1,5м вполне может занимать целую комнату:

Другими словами, для домашних условий установка шара – не вариант. Есть ли какие-то ещё варианты? Оказывается, что да. В фотометрическом шаре используется пропорциональность между световым потоком источника и освещённостью на фотодатчике, которая соблюдается при любой КСС. При отсутствии шара можно воспользоваться другими вариантами пропорциональности между потоком и освещённостью, которые могут возникать при определённых условиях.

А именно, для источников с одинаковой формой КСС, но разными световыми потоками, создаваемая ими освещённость в одной и той же точке будет пропорциональна световому потоку, точно так же, как и в фотометрическом шаре (см. формулу закона квадратов расстояний). На практике это означает, что если мы жёстко зафиксируем положение источников света и люксметра относительно друг друга, то получаемые значения освещённостей будут соотноситься точно так же, как световые потоки. Разумеется, при этом нужно убедиться, что КСС испытываемых источников в точности совпадают, люксметр имеет правильную спектральную чувствительность, а посторонние засветки – отсутствуют, но по сравнению с покупкой шара это уже несложные мелочи

Нерешённым остаётся только следующий вопрос: каким образом перевести показания люксметра в люмены? В первом приближении решается он следующим образом: среди испытываемых ламп выбирается одна, «которой можно наиболее доверять», и принимается, что её характеристики равны паспортным. В этом случае световые потоки остальных ламп рассчитываются через простые пропорции освещённостей. По описанному принципу был организован ряд экспериментов, позволивших сравнить несколько групп однотипных ламп между собой.

Эксперимент №1. Сравнение люминесцентных ламп мощностью 18 (20) ватт

Для этого эксперимента была собрана простейшая установка, показанная на фото ниже:

Как известно, стандартная люминесцентная лампа представляет собой цилиндр с практически равномерно излучающей боковой поверхностью, то есть относительные КСС всех ламп одного форм-фактора одинаковы. Следовательно, для измерения светового потока достаточно измерять освещённость в какой-то одной точке под лампой – предпочтительно ближе к её середине (для исключения погрешностей, связанных с неоднородностями свечения около электродов). Установка представляла собой светильник для одной лампы T8x18W/T12x20W, под которым в середине его длины измерялась освещённость. Были проведены измерения для 45 образцов ламп разных типов, лет выпуска, изготовителей и уровней наработки. Измерения производились спектрорадиометрическим методом при помощи люксметра-спектроколориметра Konica Minolta CL-70F, уже знакомого нам по базе спектральных измерений проекта. Список исследованных типов ламп и значения измеренных освещённостей приведены в таблице 1:

Таблица 1. Световые потоки ламп 18/20W

В качестве опорного эталона для определения световых потоков было решено использовать лампы T8x18W цветности 8xx (TLD 18W/827, TLD 18W/830 и др.), имеющие одинаковые каталожные световые потоки и при этом показавшие примерно одинаковые результаты измерения. Результаты измерения освещённостей и рассчитанные на их основе световые потоки (при условии принятого эталона) приведены в табл. 1 и на рисунке 4:

Из диаграммы рис. 1 хорошо видно, что в большинстве случаев (25 из 45) погрешность измерения светового потока по сравнению с паспортным составила не более 15%. В остальных случаях различия имеют место как правило в меньшую сторону и вызваны тем, что лампы имели определённую наработку, вызвавшую снижение светового потока по сравнению с номинальным. Были и обратные примеры, например образец №12 (зелёная лампа Philips) показал на целые 34% больший световой поток по сравнению с паспортным. Это может быть связано как с погрешностью прибора в условиях измерения сравнительно узкополосных спектров, так и с некорректными каталожными данными. То же самое касается жёлтой лампы Philips и розовой лампы Osram, показавших 27 и 21% превышения светового потока соответственно. Для остальных ламп с менее значительным превышением светового потока оное может быть объяснено неотожжённостью (отсутствием тренировки) люминофора либо технологическим разбросом при выпуске.

Эксперимент №2. Настольное сравнение натриевых ламп

Этот эксперимент проводился в предельно простом варианте: при помощи люксметра фиксировалась освещённость, создаваемая натриевыми лампами примерно одинаковой геометрии, установленными в одном и том же патроне. Для измерений использовался обычный дешёвый люксметр фирмы Mastech, погрешность спектральной коррекции которого в данном случае не важна, так как все сравниваемые лампы имеют практически одинаковые относительные спектры. Сам датчик люксметра тоже, естественно, во время всего эксперимента оставался неподвижным (рис. 5).В качестве эталона была принята новая лампа Reflux ДНаТ100-1 с паспортным световым потоком, равным 9000 лм. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 2. Световые потоки натриевых ламп с цоколем Е40

Можно видеть, что результаты очень хорошо совпали с паспортными характеристиками ламп. Отдельно нужно упомянуть световой поток лампы мощностью 150Вт, включённой с дросселем для ламп 100Вт: он получился почти втрое(!) меньше номинального потока обычной 100-ваттной лампы (не говоря уже про 150Вт), что также полностью соответствует визуальному впечатлению. Хорошая причина никогда не повторять такие опыты в жизни)

Эксперимент №3. Настольное сравнение ламп накаливания

По своей схеме данный эксперимент практически полностью аналогичен предыдущему, только вместо патрона Е40 был установлен аналогичный патрон Е27, а лампы включались напрямую в сеть. Все лампы имели светорассеивающее покрытие, за эталон была принята белая галогенная лампа Philips HalogenA BTT46 мощностью 60Вт. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Световые потоки ламп накаливания на напряжение 230В

Здесь мы также видим весьма неплохие результаты, хотя лампа GE Soft Light показала неожиданно низкий световой поток (впрочем, это хорошо согласуется с визуальным впечатлением – белое покрытие на колбе плотное и непрозрачное, вероятно в каталоге указано завышенное значение).

Эксперимент №4. «Полевое» сравнение ламп высокого давления

Этот опыт был поставлен в летнее время в уличных условиях. Сердцем «установки» был светильник РКУ01-250, дополнительно оборудованный ИЗУ и установленный на стене дома (рис. 6). Таким образом, в него стало возможно устанавливать лампы ДРЛ, ДНаС и МГЛ советского образца, что и было сделано. За наиболее подходящий эталон была принята лампа ДРЛ250(8)-1, в качестве измерителя освещённости использовался всё тот же прибор Mastech. Результаты эксперимента приведены в табл. 4.

Таблица 4. Световые потоки ламп высокого давления мощностью 220-250Вт

Выводы

Метод относительного определения световых потоков прекрасно оправдывает себя и при отсутствии специальных фотометрических шаров или камер. Точность данного метода определяется степенью совпадения КСС измеряемых ламп, относительной спектральной чувствительностью применяемого люксметра (наиболее точные измерения можно производить спектрорадиометрическим методом, однако для ламп с одинаковым относительным спектром этот фактор неважен), а также правильностью выбора эталонного источника. Во всех вышеприведённых экспериментах эталонный источник подбирался таким образом, чтобы большинство новых измеряемых ламп с известными паспортными световыми потоками показали результат, близкий к действительности. В этом случае можно смело обмерять на установке и те лампы, паспортный поток которых заранее неизвестен – полученный результат будет обладать приемлемой точностью (±10...15%).