Metody měření světla a osvětlení
Společným požadavkem norem z oblasti světla a osvětlení je měření světelnětechnických vlastností světelných zdrojů, svítidel, osvětlených předmětů a osvětlovacích zařízení. Článek přináší bližší pohled na některé pojmy, které se používají při měření světla a osvětlení.
Snímači záření jsou všechna látková tělesa živé i neživé přírody – jako příklad lze uvést lidské oko nebo fotoelektrické snímače. V případě fotoelektrické proměny se rozlišuje vnější fotoelektrický jev (emisní fotonka), fotoelektrická vodivost (odporová fotonka) nebo fotovoltaický jev (hradlová fotonka). Možnost použít fotoelektrickou proměnu představuje základ mnoha operací při uskutečňování měření ve všech světelnětechnických aplikacích. Navíc si musíme uvědomit, že na jediném fotovoltaickém jevu se zakládá více metod stanovení hodnoty měřené veličiny. Například světelný tok světelných zdrojů a svítidel lze určit pomocí kulového integrátoru nebo spirálového goniofotometru.
Při měření je nutné uvažovat i o měřicím postupu, pod nímž se rozumí sled úkonů, které jsou potřebné k uskutečnění měření podle určité měřicí metody. Například: norma předepisuje postup měření světelného toku zdrojů pomocí kulového integrátoru. Pro zabezpečení jednotnosti měření musejí být tedy předepsány nejen měřicí metody, ale i měřicí postupy. My se soustředíme především na metody měření fotometrických veličin.
Měřicí metody sledují rozličná hlediska, která se mohou při měření konkrétní fotometrické veličiny i doplňovat nebo překrývat. Mezinárodní soustava jednotek SI rozeznává definiční (absolutní) měřicí metody a odvozené (relativní) měřicí metody. Z hlediska indikace měřené veličiny lze metody měření rozdělit na přímé a nepřímé. Dále lze mluvit o porovnávacích metodách, jednopaprskových a dvojpaprskových metodách či automatických nebo komplexních měřicích metodách.
Definiční měřicí metody
Definiční měřicí metody jsou metody pro základní fotometrické veličiny, které jsou založeny na jejich definici. Protože definiční metody vedou bezprostředně nebo přes další vazby k měření základních veličin, lze je nazvat základními metodami. Příkladem absolutní metody je měření národního etalonu svítivosti.
Odvozené měřicí metody
Odvozené měřicí metody vyžadují kromě měřeného objektu ještě další objekt, u nějž jsou známé číselné hodnoty veličiny téhož druhu, jakého je měřená veličina. Tyto měřicí metody se nazývají relativní (poměrné), protože s jejich pomocí se získává poměr měřené veličiny a známé veličiny téhož druhu. Protože u relativních metod jde o porovnání měřené veličiny se stanovenou mírou, patří k širší skupině porovnávacích metod.
Prakticky je však každé měření do určité míry porovnávací, neboť měřit znamená určit hodnotu měřené veličiny jako násobek měřicí jednotky. Relativní metody však zjišťují nejen vztah měřené veličiny k příslušné měřicí jednotce, ale také vztah k nějaké jiné veličině téhož druhu, jejíž hodnota je známá. Příkladem relativní metody je měření rozložení svítivosti světelných zdrojů a svítidel pomocí goniofotometrů.
Přímé měřicí metody
Přímá měření jsou ta, u nichž je výsledkem měření přímo hodnota měřené veličiny – například pokud jde o měření osvětlenosti nebo jasu na specifikované ploše. Za přímé metody lze pokládat i metody využívající automatizovaná měřicí zařízení. Tato zařízení uskutečňují s nainstalovaným programem měření hodnot různých veličin, které jsou vázané známými funkčními vztahy přímo na měřenou veličinu. Jako příklad můžeme uvést automatické goniofotometry. Přímé metody charakterizuje především to, že nevyžadují další výpočty s výjimkou těch, které slouží k určení korekce (opravy) měření.
Nepřímé měřicí metody
Nepřímou metodou se nazývá taková metoda, při níž se hodnota určité veličiny určuje na základě výsledku přímého měření pomocných veličin, které jsou s vlastní měřenou veličinou (nepřímo) vázané známým vztahem. Mezi nepřímé metody můžeme počítat měření svítivosti zdroje Lummerovou-Brodhunovou hlavicí na fotometrické lavici.
Porovnávací metody
Na podstatě měření, které můžeme podle definice chápat jako číselné porovnání měřené veličiny se stanovenou mírou (jednotkou), je založena porovnávací (komparační) metoda. Metrologická kontrola měřidel fotometrických veličin pomocí etalonů příslušných jednotek představuje vždy porovnávání. Porovnávací metoda má několik variant, z nichž se používají nahrazovací (substituční) metody a vyrovnávací (kompenzační) metody.
U substituční metody se postupně porovnává vliv dvou veličin jednoho druhu na údaj měřicího přístroje, případně se jedna veličina reguluje tak, aby v obou případech byla výchylka měřicího zařízení stejná. Při vizuální fotometrii se svítivost zdroje může měřit na fotometrické lavici substituční metodou s použitím porovnávacího světelného zdroje. U fyzikální fotometrie se svítivost zdroje měří převážně substituční metodou. Substituční metodu lze použít s uspokojivým výsledkem, je-li posloupnost známých hodnot porovnávací veličiny dostatečně hustá.
Vyrovnávací (kompenzační) metoda se používá jako část postupu měřené veličiny. Měřenou veličinu vyrovnáváme (kompenzujeme) jinou veličinou téhož druhu, jejíž hodnota může být známá, v některých případech však ani nemusí. U vyrovnávacích metod se zpravidla předpokládá současné působení měřené a vyrovnávací veličiny. Je-li vyrovnání dokonalé, výchylka indikačního orgánu měřidla při připojení měřené a vyrovnávací veličiny se rovná nule. Tato vyrovnávací (kompenzační) metoda se označuje jako nulová metoda. Kompenzační metody mohou být optické (kompenzace před snímačem) nebo elektrické (kompenzace za snímačem). Optická kompenzace probíhá s využitím některé metody zeslabování světla. Elektrická kompenzace se uskutečňuje s kompenzátory (např. můstkové metody).
Jednopaprskové a dvojpaprskové metody
Speciální zaměření mají jednopaprskové a dvojpaprskové metody. U jednopaprskové metody dopadá na snímač světlo jen z jednoho směru. Při této metodě se postupně porovnává vliv etalonu a měřeného zdroje na údaj měřidla. K dosažení přesných výsledků měření při jednopaprskové metodě je třeba v průběhu měření dbát na dodržení stability všech prvků měřidla.
Vliv nestabilnosti světelného toku vylučuje dvojpaprsková metoda. Při této metodě se současně porovnává etalon a měřený zdroj. K porovnávání zdrojů lze použít jeden nebo dva snímače. Základním předpokladem pro použití dvou snímačů je shodnost jejich vlastností, i když v obvyklých případech se této podmínky dá jen těžko dosáhnout. Proto se upřednostňuje porovnávání zdrojů pomocí jednoho snímače. U vizuální fotometrie je možné porovnat dva zdroje výlučně pomocí jednoho snímače – oka. U fyzikální fotometrie se jeden snímač používá jen při metodě proměnného světla. Rozdíl mezi naměřenou a konvenčně pravou hodnotou měřené veličiny u dvojpaprskové metody je způsoben asymetrií měřidla (např. asymetrií fotometrické destičky vizuálního fotometru). Tento vliv lze korigovat vhodným porovnávacím zdrojem.
Automatické měřicí metody
Měřicí metody, při nichž se měření uskutečňuje samočinně, se nazývají automatické měřicí metody. Příkladem může být úplné nahrazení pozorovatele při měření křivek svítivosti.
Automatizací měřicích procesů lze všeobecně snížit počet měřičů, nelze se však bez nich obejít, protože i goniofotometry je nutné nastavovat a kontrolovat, což vyžaduje zpravidla vyšší kvalifikaci a zkušenosti pozorovatelů.
Komplexní měřicí metody
Komplexními měřicími metodami se rozumějí metody, jimiž je možné zjistit několik hodnot téže veličiny na jednom nebo na několika místech měřeného objektu. Technika kalibrovaných digitálních kamer s vysokým rozlišením a přesně specifikované skupiny programů prolomily všechny bariéry nejen v oblasti měření světelnětechnických vlastností světelných zdrojů a svítidel, ale i při měření osvětlených předmětů a osvětlovacích zařízení. Tuto skutečnost odráží i nová evropská norma ČSN EN 13032: Světlo a osvětlení – Měření a uvádění fotometrických údajů světelných zdrojů a svítidel – Část 1: Měření a formát souboru údajů. V této souvislosti se dále připravují i návrhy evropských norem Požadavky, kalibrace a klasifikace luxmetrů a jasoměrů a Požadavky na goniofotometry.
Přístroje a fotometrické veličiny
Převážná většina přístrojů na měření fotometrických veličin má charakter indikačních (ukazovacích) zařízení. Indikační zařízení může přitom pracovat buď analogově (údaj ukazuje ručička ukazatele na stupnici), nebo digitálně (údaj tvoří posloupnost číslic).
Měří se časově stálé fotometrické veličiny (metody konstantního světla), nebo časově proměnné fotometrické veličiny (metody proměnného světla). U vizuální fotometrie je stabilita světla předpokladem porovnávání dvou zdrojů se stejnou barvou světla. Ve fyzikální fotometrii se metoda konstantního světla používá při dostatečné intenzitě osvětlení a při setrvačnosti snímačů. O metodě proměnného světla se mluví při měření přerušovaného světla, přičemž k přerušování světla lze použít například rotační clony s nastavitelnými segmenty. Metoda proměnného světla se používá při měření malých fotoelektrických proudů, při přímém porovnávání barevně rozličných zdrojů nebo při neselektivním zeslabování světla.
prof. Ing. Pavol Horňák, DrSc.
Autor byl v letech 1966 až 2008 pracovníkem Katedry elektroenergetiky FEI STU Bratislava a v rámci živnostenského podnikání se nadále věnuje osvětlení a měření světla a barev.
Foto: archiv LMT Lichtmesstechnik (Berlín),
TechnoTeam Bildverarbeitung (Ilmenau)
Ćlánek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.
