Využití zrcadlového goniofotometru k měření parametrů LED světelných zdrojů a svítidel

Pro kompletní charakterizaci LED světelných zdrojů a svítidel využívá Český metrologický institut aparatury automatizovaného zrcadlového goniofotometru. Aktuální novinkou ve smyslu modernizace měřicího systému je nově provedená metrologická návaznost aparatury zrcadlového goniofotometru na stabilní LED etalonový světelný zdroj (T_cp = 4102 K), nahrazující dříve používaný žárovkový etalon svítivosti (normalizovaný iluminant A CIE). Do značné míry byla eliminována používaná korekce spektrálního nepřizpůsobení detekčního systému poměrné spektrální světelné účinnosti pro fotopické vidění lidského oka V(λ). Spektrální vlastnosti použitého LED etalonu jsou blízké definovanému LED referenčnímu spektru normalizovaného iluminantu LED-B3 CIE. ČMI tak drží krok s novými trendy v metrologii LED světelných zdrojů a svítidel přímo souvisejícími se zaváděním nových normalizovaných iluminantů, které jsou definovány v technickém protokolu Mezinárodní komise pro osvětlování CIE 015:2018: Colorimetry, 4^th Edition.

Na připravovaných sociálních sítích ČMI (Facebook, Twitter, Instagram) se brzy objeví video Fotometrické laboratoře ČMI prezentující toto pracoviště – sledujte www.cmi.cz/aktuality.

Zkušební laboratoř ČMI, díky svému špičkovému vybavení a měřicí schopnosti náležející mezi přední evropská i světová pracoviště, se dlouhodobě významně aktivně podílí na mnohých mezinárodních výzkumných projektech a úzce spolupracuje se zahraničními národními metrologickými instituty z celého světa. Výsledky práce laboratoře jsou pravidelně validovány prostřednictvím účasti na klíčových mezinárodních porovnáních v rámci ujednání CIPM MRA.

Obr. 1. Zrcadlový goniofotometr při kalibraci etalonovým LED zdrojem

Obr. 2. Nový etalonový LED zdroj (LED–B3 CIE

Měřené charakteristiky

Zrcadlový goniofotometr doplněný kalibračním etalonovým zdrojem (obr. 1 a obr. 2) je unikátní zařízení vyrobené na zakázku pro ČMI. Dosahuje nejvyšší primární metrologické úrovně v ČR a umožňuje kvalitní metrologické měření světelnětechnických a energetických parametrů LED a OLED světelných zdrojů, všech ostatních typů světelných zdrojů, svítidel a umělého osvětlení obecně.

Fotometrické veličiny

K měření fotometrických vlastností svítidel a světelných zdrojů se používá precizní fotometr s fotometrickou hlavou s přesnou vstupní aperturou umožňující měření fotometrických vlastností světelného zdroje v různých úhlech.

Jde o tyto veličiny:
– prostorové rozložení svítivosti (cd),
– celkový světelný tok (lm),
– vyzařovací úhel (°),
– měrný výkon světelného zdroje (lm/W),
– další parametry podle konkrétních specifických požadavků zákazníka.

Spektrální charakteristiky

Absolutní spektroradiometr s lineárním nízkošumovým chlazeným čipem se využívá k měření spektrálních vyzařovacích charakteristik. Tento integrovaný přesný spektrometr disponuje unikátní schopností měřit spektrální charakteristiky světelného zdroje v různých úhlech.

Ze spektrálních vyzařovacích charakteristik naměřených v různých úhlech jsou podle normy ČSN EN ISO 11664-6 Kolorimetrie – Část 6: CIEDE2000 vzorce výpočtu barevného rozdílu vypočítány kolorimetrické prostorově závislé parametry, které charakterizují barvu světla zdroje:
– kolorimetrické (trichromatické) souřadnice (x, y),
– index podání barev R_a,
– náhradní teplota chromatičnosti T_cp (K),
– dominantní a průměrná vlnová délka (λ).

Obr. 3. Spektrální složení přenosového etalonu svítivosti LIS-A v porovnání se spektrem normalizovaného iluminantu LED- B3 CIE

Elektrické parametry

Aparatura zrcadlového goniofotometru je pro potřeby měření elektrických veličin vybavena přesnými širokopásmovými wattmetry s šířkou pásma 1 MHz.

V rámci kompletní charakterizace jsou vždy měřeny tyto elektrické parametry:
– elektrický příkon,
– elektrický proud,
– elektrické napětí,
– účiník,
– celkové harmonické zkreslení.

Aparatura zrcadlového goniofotometru

Díky dostatečně velké konstantní měřicí vzdálenosti zrcadlového goniofotometru (14,710 m) se měřený zdroj světla blíží bodovému, prostřednictvím aparatury lze tedy měřit vzorky s maximálním rozměrem 120 cm. Výhodou je, že testovaný světelný zdroj zůstává během měření ve své navržené provozní poloze.

Konstrukční uspořádání goniofotometru s otočným zrcadlem zajišťuje rotaci zrcadla kolem vodorovné osy měřeného světelného zdroje o celých 360° (obr. 4). Ke sběru dat dochází v rozsahu úhlů 0° až 180°. Současně měřený světelný zdroj rotuje kolem své vertikální osy v rozsahu úhlů 0° až 360°. Zrcadlo směruje světelné paprsky tak, aby dopadaly na měřicí hlavu. Zařízení umožňuje měření celkového světelného toku a prostorového rozložení svítivosti v následujících geometriích: CIE Typ C/Gama pro svítidla, CIE typ B/Beta pro světlomety a CIE typ A/ /Alfa pro návěstidla.

Obr. 4. Princip měření na zrcadlovém goniofotometru

Prostřednictvím konstrukce skládající se ze dvou základních separátních věží je dosaženo potřebné stability celého zařízení (obr. 5). Na ramenu menší věže je umístěn držák k uchycení a napájení měřeného světelného zdroje, ten zároveň zajišťuje jeho rotaci. Rameno druhé věže nese oválné zrcadlo o rozměrech 1,9 × 1,4 m rotující kolem měřeného světelného zdroje ve vzdálenosti 2 m. Reflexní plocha zrcadla směruje dopadající paprsky vždy do detekčního systému tvořeného přesným spektrálně korigovaným a teplotně stabilizovaným fotometrem a absolutním spektroradiometrem s lineárním nízkošumovým chlazeným čipem.

Pro měření elektrických veličin jsou určeny přesné širokopásmové wattmetry.

K dalším nepostradatelným součástem aparatury náležejí zdroje světla, držáky pro měřené zdroje světla, napájecí zdroj střídavého a stejnosměrného proudu (AC/DC), senzor teploty, vlhkoměr a další nezbytné komponenty.

Obr. 5. Akreditovaná zkušební laboratoř se zrcadlovým goniofotometrem

Interpretace realizovaných měření

Jako výstupní certifikát pro zákazníka je vydáván protokol o akreditované zkoušce (Test report) včetně příloh, kde jsou uvedeny vyhodnocené parametry zkoušeného světelného zdroje jako fotometrické údaje, kolorimetrické charakteristiky, naměřené i vypočtené elektrické parametry. Zpracovaná data jsou prezentována v tabelované i grafické podobě (obr. 6 a obr. 7). Alternativně je možné vydat akreditovaný kalibrační list.

Obr. 6. Prostorové rozložení svítivosti LED zdroje

  

Obr. 7. Ukázky grafického znázornění naměřených hodnot: a) prostorové znázornění rozložení osvětlenosti pod svítidlem při závěsné výšce 2,7 m, b) plošné znázornění rozložení osvětlenosti pod svítidlem, c) prostorové zobrazenírozložení svítivosti svítidla

Naměřené hodnoty jsou v elektronické podobě interpretovány v různých standardizovaných formátech typu IES Files (*.ies), EULUMDAT Files (*.ldt), CIE Files (*.cie).

Exportovaná data jsou zpracována v takové podobě, aby mohla být dále využívána projektanty v návrzích osvětlovacích soustav pro 3D simulace osvětlení různých prostorů a pro návrhy komplexních osvětlovacích soustav.

Finální podoba akreditovaného protokolu je variabilně přizpůsobena tak, že obsahuje požadované výstupy datového zpracování a grafického znázornění naměřených hodnot v takové formě, aby zcela vyhovovala individuálním požadavkům a potřebám konkrétního zákazníka.

Ing. Jana Gerneschová, Ing. Petr Kliment,
Slovenská technická univerzita v Bratislave, Strojnícka fakulta,
Dr. Ing. Marek Šmíd, Český metrologický institut

Informace na sociálních sítích:
Facebook: https://www.facebook.com/%C4%8Cesk%C3%BD-metrologick%C3%BD-institut-105583508341826,
Twitter: https://twitter.com/metrologicky, 
Instagram: https://www.instagram.com/ceskymetrologickyinstitut/

Kontaktní údaje pro případné další informace:
Dr. Ing. Marek Šmíd, msmid@cmi.cz 
Ing. Petr Kliment, pkliment@cmi.cz

Český metrologický institut
Laboratoře primární metrologie Praha Radiometrie a fotometrie
Adresa laboratoře: Hvožďanská 2053/3 148 00 Praha – Chodov